El profesor Thomas Gervais de la Polytechnique Montréal y sus alumnos Pierre-Alexandre Goyette y Étienne Boulais, en asociación con el equipo dirigido por el profesor David Juncker de la Universidad McGill, han desarrollado un nuevo proceso de microfluidos destinado a automatizar la detección de proteínas mediante anticuerpos. Este trabajo, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , apunta a la llegada de nuevos instrumentos portátiles para acelerar el proceso de cribado y análisis de moléculas en laboratorios biológicos para acelerar la investigación en biología del cáncer.

De la microfluídica convencional a la microfluídica para espacios abiertos

La microfluídica se refiere a la manipulación de fluidos en dispositivos a microescala. Comúnmente denominados "laboratorios en un chip, "Los sistemas de microfluidos se utilizan para estudiar y analizar muestras químicas o biológicas a muy pequeña escala, reemplazando los instrumentos extremadamente costosos y engorrosos utilizados para los análisis biológicos tradicionales. Incluida en 2001 entre las "10 tecnologías emergentes que cambiarán el mundo" por MIT Technology Review, La microfluídica se considera tan revolucionaria para la biología y la química como lo han sido los microprocesadores para la electrónica y las tecnologías de la información. y se aplica a un mercado enorme.

Hoy dia, esta joven disciplina, que comenzó a despegar en la década de 2000 con sistemas cerrados formados por redes de microcanales, se está transformando radicalmente en sí mismo por el descubrimiento realizado por el grupo de investigadores de Polytechnique y McGill University, que refuerza los fundamentos teóricos y experimentales de la microfluídica de espacio abierto.

Esta tecnología, que elimina canales, compite favorablemente con los microfluídicos convencionales para ciertos tipos de análisis. En efecto, la configuración clásica de los dispositivos de microfluidos de canal cerrado presenta varias desventajas:la escala de las secciones transversales del canal aumenta el estrés que sufren las células cuando están en cultivo, y no son compatibles con el estándar de cultivo celular, la placa de Petri, lo que dificulta que la industria lo adopte.

El nuevo enfoque explorado por los investigadores de la Universidad Politécnica y McGill se basa en multipolares de microfluidos (MFM), un sistema de succión y aspiración simultánea de fluidos a través de microaberturas opuestas en una superficie muy pequeña colocada en un espacio confinado de menos de 0,1 mm de espesor. "Cuando entran en contacto entre sí, Estos chorros de fluido forman patrones que se pueden ver al teñirlos con reactivos químicos, ", dice el profesor Gervais." Queríamos comprender estos patrones mientras desarrollamos un método confiable para modelar MFM ".

Elegante simetría visual que recuerda la obra del artista M. C. Escher

Para comprender estos patrones, El equipo del profesor Gervais tuvo que desarrollar un nuevo modelo matemático para flujos multipolares abiertos. Este modelo se basa en una rama clásica de las matemáticas conocida como mapeo conforme que resuelve un problema relacionado con una geometría compleja reduciéndola a una geometría más simple (y viceversa).

Doctor. El estudiante Étienne Boulais desarrolló por primera vez un modelo para estudiar las colisiones de microjet en un dipolo multifluídico (un MFM con solo dos aberturas), y luego, confiando en esta teoría matemática, extrapoló el modelo a MFM con múltiples aperturas. "Podemos hacer una analogía con un juego de ajedrez en el que hay una versión con cuatro jugadores, luego seis u ocho, aplicando una deformación espacial manteniendo las mismas reglas del juego, " el explica.

"Cuando se somete a un mapeo conforme, Los patrones creados por las colisiones de chorros de fluido forman imágenes simétricas que recuerdan las pinturas del artista holandés M.C. Escher, "añade el joven investigador, que tiene una pasión por las artes visuales. "Pero más allá de su atractivo estético, nuestro modelo nos permite describir la velocidad con la que las moléculas se mueven a través de los fluidos, así como su concentración. Hemos definido reglas válidas para todas las configuraciones de sistemas posibles de hasta 12 polos con el fin de generar una amplia variedad de patrones de flujo y difusión ".

El método es, por tanto, una completa caja de herramientas que no solo permitirá modelar y explicar los fenómenos que ocurren en las MFM, sino también explorar nuevas configuraciones. Gracias a este método, ahora es posible automatizar pruebas de microfluidos en espacios abiertos, que hasta ahora solo se han explorado a través de prueba y error.

Fabricación del dispositivo mediante impresión 3D

El diseño y la fabricación del dispositivo MFM fue realizado por Pierre-Alexandre Goyette. Este dispositivo es una pequeña sonda hecha de resina que utiliza un proceso de impresión 3D de bajo costo y está conectada a un sistema de bombas e inyectores.

“La experiencia del equipo del profesor Juncker en la detección de proteínas por anticuerpos inmovilizados en una superficie ha sido invaluable en la gestión de los aspectos biológicos de este proyecto, "dice el estudiante de doctorado en ingeniería biomédica." Los resultados obtenidos con los ensayos validaron la precisión de los modelos desarrollados por mi colega Étienne ".

El dispositivo permite el uso simultáneo de varios reactivos para detectar varias moléculas en la misma muestra, lo que ahorra a los biólogos un tiempo valioso. Para ciertos tipos de pruebas, el tiempo de análisis podría reducirse de varios días a unas pocas horas, o incluso en cuestión de minutos. Además, la versatilidad de esta tecnología debería hacerla utilizable para varios procesos analíticos, incluyendo pruebas inmunológicas y de ADN.

¿Hacia una pantalla de microfluidos?

El equipo del profesor Gervais ya está considerando un próximo paso en su proyecto:el desarrollo de una pantalla que muestre una imagen química.

"Sería una especie de equivalente químico de la pantalla de cristal líquido, "El profesor Gervais explica." De la misma manera que movemos electrones a través de una pantalla, enviaríamos chorros de fluido a diversas concentraciones que reaccionarían con una superficie. Juntos, formarían una imagen. Estamos muy emocionados de seguir adelante con este proyecto, por lo que hemos obtenido una patente provisional ".

Reinvención de los procedimientos de diagnóstico y seguimiento del tratamiento médico

Por ahora, la tecnología desarrollada por este equipo de investigación está dirigida al mercado de la investigación fundamental. "Nuestros procesos permiten exponer las células a muchos reactivos simultáneamente, "El profesor Gervais dice." Pueden ayudar a los biólogos a estudiar las interacciones entre proteínas y reactivos a gran escala, aumentando la cantidad y la calidad de la información obtenida durante los ensayos ".

Explica que posteriormente, El mercado farmacéutico también podrá beneficiarse de los nuevos métodos de automatización del sistema de cribado resultantes del descubrimiento. Finalmente, abre una nueva vía para el descubrimiento de fármacos al facilitar el cultivo de células del paciente y la exposición a varios fármacos para determinar a cuáles responden mejor.