En discutant avec le Dr Peter Ertl, professeur et chef de l’équipe de recherche sur biopuces à cellules de l’Université technique de Vienne (TU Wien), en Autriche, j’ai appris quelques détails fascinants sur son travail avec les technologies de laboratoire sur puce. Ces petits dispositifs autonomes peuvent servir à étudier tout un tas de choses, de la toxicité des médicaments anticancéreux à la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique. Aujourd’hui, cette technologie est utilisée pour développer un test de diagnostic pour la COVID-19 capable de fournir rapidement des résultats précis en quelques minutes seulement.
Pour le Dr Ertl, ce qui fait défaut aux méthodes de diagnostic actuelles de la COVID-19, c’est une combinaison associant la rapidité, la sensibilité et la fiabilité nécessaires pour faire face de façon adéquate à la pandémie actuelle. « D’un côté, la PCR est capable de tout détecter, mais elle est difficilement applicable à grande échelle et l’obtention des résultats prend généralement jusqu’à 24 heures. Le résultat n’est valable que pour quelques jours, ce qui signifie que vous ne pouvez pas vous rendre à des événements qui durent un certain temps, comme des colloques. Les autres méthodes actuellement disponibles comme les autotests et les tests antigéniques ne sont clairement pas assez sensibles. Bien qu’ils puissent donner de bons résultats pour des personnes symptomatiques ayant une forte charge virale, il est tout aussi important de détecter les personnes asymptomatiques qui sont susceptibles de propager la maladie sans le savoir. »
Développement d’un outil de diagnostic de la COVID-19 efficace à l’aide de biopuces capables de transmettre des données
S’attaquant à ces problèmes de façon frontale, le Dr Ertl et son équipe ont mis au point une technologie de biopuce qui, selon eux, peut détecter de manière fiable un très petit nombre de particules virales (de 3 à 5 particules virales) en seulement quelques minutes tout en éliminant les faux négatifs. Par conséquent, les personnes asymptomatiques peuvent être diagnostiquées de façon certaine, ce qui leur permet de s’isoler pour freiner la propagation de la COVID-19.
La biopuce a été conçue de telle manière qu’elle dispose de sa propre alimentation électrique, d’une unité d’affichage et de la capacité de transférer ses données sans fil (figure 1). Les résultats peuvent être transférés directement et immédiatement au centre épidémiologique responsable. Cette simplification de la collecte des données pourrait permettre de grandement améliorer l’exactitude du nombre de cas déclarés et l’identification des flambées épidémiques.
Figure 1. Illustration du fonctionnement de la biopuce de test COVID-19. La technologie des biopuces utilise un tapis d’anticorps immobilisés dans la chambre microfluidique. Ces anticorps se lient à tout virus cible présent dans l’échantillon, dans ce cas le SARS-CoV-2 qui provoque la COVID-19. Par la suite, un anticorps secondaire marqué par des nanoparticules d’or se lie aux particules virales liées. Une solution d’argent est ajoutée à cette étape, et l’argent réagit avec l’or pour produire des nanoponts conducteurs. Un courant électrique peut alors traverser les nanoponts et activer des DEL ou même activer un dispositif de communication intégré pour transférer les données sans fil.
Rôle de la plateforme d’imagerie cellulaire IXplore™ Live d’Olympus dans la validation du test COVID-19 sur biopuce
Le bon fonctionnement de la technologie dépend de la qualité des anticorps et de leur bonne immobilisation sur la surface de la chambre microfluidique, ainsi que de l’espacement entre les fils électriques discontinus. Pour optimiser ce paramètre, le Dr Ertl et l’équipe de recherche sur biopuces à cellules ont testé différentes stratégies d’immobilisation. Grâce au système de microscopie IXplore™ Live d’Olympus et à des anticorps secondaires marqués par fluorescence, ils ont pu évaluer les paramètres clés, notamment la densité, l’orientation et l’alignement des anticorps, qui sont essentiels au bon fonctionnement de la biopuce (voir la figure 2).
Figure 2. Utilisation du microscope IXplore Live d’Olympus et de l’anticorps secondaire marqué par fluorescence pour déterminer l’immobilisation de l’anticorps primaire à une certaine densité sur un substrat de verre à un grossissement de 4X. L’image montre que plus la concentration d’anticorps décroît (de gauche à droite) plus l’intensité de la fluorescence décroît.
Le Dr Ertl explique : « Le système IXplore Live a été très utile pour améliorer le développement des biopuces. Avec lui, notre laboratoire a exactement ce dont il a besoin en matière de résolution d’image et de prix. En dehors de la COVID-19, il est devenu un outil indispensable de notre laboratoire, où il est constamment utilisé pour nos projets d’organe sur puce. En particulier, l’excellente résolution, la chambre hypoxique et la capacité de mettre à niveau le système pour faire de l’imagerie confocale se sont révélées extrêmement utiles pour réaliser nos travaux de recherche. »
Applications pour d’autres maladies, notamment le cancer et la maladie de Parkinson
Outre la plateforme de diagnostic viral, la technologie des biopuces est exploitée pour un large éventail d’applications prometteuses. Le laboratoire du Dr Ertl étudie des systèmes de culture cellulaire microfluidique avancés capables de reproduire l’architecture 3D complexe des tissus et des organes. Ces systèmes sont connus sous le nom de dispositifs d’organe ou de tissu sur puce. Non seulement ces biopuces sont utilisées comme modèles biologiques pour étudier la structure et la fonction des tissus, mais elles fournissent également des informations sur l’apparition et l’évolution de maladies comme le cancer, les maladies auto-immunes et les maladies neurodégénératives.
Figure 3. Images prises par l’équipe de recherche de l’université TU Wein à l’aide du microscope IXplore Live d’Olympus. De gauche à droite, les images montrent (1) des cellules HUVEC marquées à la GFP avec perfusion de TRITC-dextrane (grossissement 20X), (2) des cellules HUVEC marquées à la GFP (grossissement 4X), (3) le marquage au DAPI de la F-actine et de la VE-cadhérine.
Le Dr Ertl nous a expliqué que le microscope IXplore Live était devenu un outil important pour la recherche sur les organes sur puce. La haute résolution est essentielle pour valider l’assemblage 3D des cellules et vérifier que l’architecture imite celle de la structure réelle des tissus humains. Par exemple, l’équipe de la TU Wien a utilisé le microscope IXplore Live pour suivre l’évolution de l’interface lymphatique/sanguine ainsi que le développement d’une plateforme à biopuce intégrant un capteur pour la maladie de Parkinson. Dans ce dernier projet, le microscope IXplore Live s’est montré essentiel pour l’étude de la croissance des neurites et l’imagerie du calcium. L’équipe de recherche espère que cela mènera à un modèle humain personnalisé du mésencéphale qui fera progresser notre compréhension des aspects neurodéveloppementaux de la maladie de Parkinson.
En outre, le groupe a révélé que la possibilité de combiner le microscope IXplore Live avec une chambre hypoxique avait joué un rôle essentiel dans le choix du microscope par son laboratoire compte tenu de son implication dans le développement de presque tous les dispositifs microfluidiques. Sarah Spitz, l’un des membres du groupe de recherche du Dr Ertl, confie : « Nous utilisons principalement la chambre hypoxique pour étudier la perméabilité à l’oxygène de divers matériaux pour la fabrication de dispositifs microfluidiques. La perméabilité à l’oxygène est un paramètre important, car elle affecte la disponibilité de l’oxygène pour les cellules qui sont cultivées. Grâce à cette configuration et à un capteur d’oxygène intégré dans la puce, nous pouvons déterminer très facilement ces propriétés caractéristiques. »
Potentiel de la technologie des biopuces au-delà de la COVID-19
Les tests viraux sur biopuce représentent non seulement un outil potentiellement rapide et fiable pour suivre la pandémie en cours, mais l’investissement dans la plateforme pourrait être utile pour le diagnostic d’autres maladies. Cette technologie auto-alimentée et portative pourrait être exploitée dans des zones reculées, où la conservation des vaccins est un problème, comme pour l’hépatite B au Pakistan et le virus Ebola en Afrique. De même, la technologie des organes sur puce a un potentiel important et promet des avancées passionnantes dans le traitement de nombreuses maladies. Quant au test COVID-19, le Professeur Ertl nous dit espérer développer le premier prototype industriel d’ici quelques mois.
