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De minuscules appareils utilisent la lumière pour saisir les cellules
De minuscules dispositifs optiques capables de saisir de petites particules dans un liquide, en utilisant la force des photons, pourraient permettre d'imager et d'identifier les cellules malades sur une puce sans avoir besoin de microscopes. Les nouveaux types de pièges optiques, développés par des physiciens de l'Université Harvard, sont conçus pour être intégrés à des dispositifs microfluidiques, dont certains font actuellement l'objet d'essais cliniques pour le diagnostic du cancer et le suivi de la réponse des patients aux thérapies. Les chercheurs de Harvard ont montré que leurs pièges optiques peuvent faire sur une puce ce qui nécessite classiquement un grand microscope et un laser puissant.
Force légère : Une puce de silicium recouverte d'un film d'or (au centre), lorsqu'elle est éclairée par une lumière laser traversant un prisme, peut extraire des particules d'une solution liquide s'écoulant sur le dessus.
Les pièges optiques, une technologie développée dans les années 1980, coûtent généralement des dizaines de milliers de dollars et nécessitent des lasers et des microscopes puissants pour focaliser la lumière sur des particules aussi petites que des atomes isolés. Les photons n'ont pas de masse, mais ils ont une quantité de mouvement, et le transfert de cette quantité de mouvement à un atome, une molécule ou une cellule permet aux physiciens de contrôler le mouvement de la particule, de la maintenir absolument immobile pour l'observation ou de tirer dessus pour surveiller sa réponse. Depuis leur invention, les pièges optiques ont été utilisés pour faire de nombreuses avancées scientifiques fondamentales. Mais le groupe de Harvard, dirigé par un professeur agrégé de génie électrique Kenneth Crozier , espère utiliser des pièges optiques dans des dispositifs de diagnostic, les rendant ainsi bon marché et suffisamment petits pour être pratiques en médecine.
Les pièges optiques développés par Crozier avec les chercheurs de Harvard Ethan Schonbrun et Kai Wang peuvent piéger des particules aussi fortement que des systèmes plus complexes. Crozier dit que les pièges compacts pourraient être intégrés dans la microfluidique et utilisés pour trier et imager les cellules malades dans le sang, par exemple. Les puces microfluidiques font circuler les cellules dans un fluide et contrôlent généralement leurs mouvements à l'aide de barrières physiques et de variations de pression et de tension. Les pièges optiques de Crozier pourraient tirer doucement les cellules vers la surface d'une puce pour l'observation, puis être utilisés pour trier les cellules en fonction de leur identité. Le groupe a présenté ses avancées à la conférence annuelle du Société d'optique d'Amérique ce mois-ci à San José, en Californie.
En utilisant des techniques de fabrication communes à l'industrie des semi-conducteurs, les chercheurs de Harvard ont conçu des puces avec deux conceptions différentes. L'un est une puce de silicium à motifs d'un anneau d'un rayon de cinq micromètres. Lorsqu'elle est éclairée par un laser, la lumière résonne autour de l'anneau, générant une force optique qui peut tirer les particules du liquide circulant au-dessus de la puce. Un autre est une puce à motifs avec des tableaux de 64 motifs en œil de bœuf. Chacun d'eux peut, lorsqu'il est illuminé, piéger une particule qui s'écoule. De plus, ces motifs focalisent la lumière d'une manière très similaire à un microscope. Chacun a la fonction d'un microscope confocal et pourrait être utilisé pour obtenir une image en 3D d'une cellule, explique Crozier.
Puissance de focalisation : Cette puce, montée avec des trombones sur un objectif de microscope pour l'observation, est modelée avec des films d'or de 500 nanomètres de large. Lorsque la lumière brille sur les lignes dorées à travers un prisme sous la puce, elle forme des ondes d'énergie de surface qui peuvent piéger les particules et les pousser.
Si vous voulez faire du tri cellulaire, l'optique au silicium est une bonne voie, dit Tom Perkins , physicien au National Institute of Standards and Technology à Boulder, CO. L'avantage des systèmes au silicium par rapport aux pièges optiques conventionnels, selon Perkins, est la compatibilité à la fois avec la microfluidique et avec les méthodes de fabrication déjà en place pour la fabrication de puces informatiques.
Une troisième conception de Crozier est basée sur des structures en or qui peuvent générer une forme d'énergie lumineuse appelée plasmons. Lorsqu'un film d'or lisse est illuminé, la lumière se couple à la surface sous forme d'ondes de surface appelées plasmons ; les forces générées par ces ondes sont très localisées et très fortes. Crozier a démontré que de longs films d'or effilés à motifs sur des puces de silicium peuvent, lorsqu'ils sont éclairés par la lumière traversant un petit prisme, être utilisés pour tirer une particule vers le bas puis la pousser le long de la surface de l'or. En changeant l'angle de la lumière, il est possible de contrôler la vitesse d'une particule. Ce type de structure sera particulièrement utile pour le tri cellulaire, dit Crozier.
Ces types de systèmes pourraient éventuellement remplacer les dispositifs de laboratoire clinique appelés cytomètres en flux, selon Holger Schmidt , professeur de génie électrique et directeur du Keck Center for Nanoscale Optofluidics à l'Université de Californie, Santa Cruz. Les cytomètres en flux d'aujourd'hui utilisent des systèmes optiques volumineux pour séparer les cellules dans, par exemple, un échantillon de sang en fonction de leur taille et de leur forme. Les optiques à puce pourraient faire la même chose mais coûteraient beaucoup moins cher et pourraient être portables, ce qui leur permettrait d'être amenées au chevet d'un patient. Schmidt, qui a développé des systèmes optiques compacts et sensibles pour piéger les organites cellulaires et détecter des particules virales uniques, affirme que ces pièges optiques compacts pourraient être sur le marché d'ici trois à cinq ans.