Imec et Sarcura présentent une détection sur puce évolutive des globules blancs humains

Figure 1 : Image du cytomètre à flux intégré sur puce.

Figure 2 : (à gauche) Coupe schématique de la pile de couches du chip, montrant le couplage de la lumière dans le chip, l’éclairage des cellules ainsi que la collecte et la détection des signaux de diffusion des cellules. (à droite) Diagramme de dispersion expérimental d’un échantillon complet de mononucléaires du sang périphérique, mesuré avec le cytomètre en flux intégré au chip.

Imec, un centre de recherche et d'innovation mondialement reconnu pour la nanoélectronique et les technologies numériques, et Sarcura GmbH, une startup technologique autrichienne, présentent leur preuve de concept d'un cytomètre à flux intégré sur puce avec photonique intégrée.

Cette innovation, publiée le 20.05.2024 dans Scientific Reports, une partie du groupe Nature Publishing, offre une plateforme unique pour la détection et la discrimination des leucocytes humains et représente une avancée majeure vers une analyse cellulaire économique, évolutive et hautement parallélisée.

L'identification précise des cellules humaines est une étape clé dans la médecine moderne, essentielle pour comprendre les mécanismes de la maladie et développer des traitements ciblés et personnalisés. Avec l'avènement de la production cellulaire, il est désormais possible de traiter des cellules vivantes afin qu'elles servent de médicaments, notamment dans des thérapies révolutionnaires telles que la thérapie immunitaire par cellules CAR-T contre le cancer. La capacité à identifier ces cellules thérapeutiques dans des produits cellulaires complexes à haut débit est cruciale et souvent critique en termes de temps.

La méthode de choix aujourd'hui est la cytométrie en flux, qui permet de caractériser des populations cellulaires en fonction de leurs propriétés physiques et chimiques individuelles, tout en passant devant un laser. Cependant, la mise en œuvre actuelle implique des instruments encombrants, des processus complexes et manuels (qui présentent un risque de contamination) et des coûts d'exploitation élevés. Ces défis entravent la disponibilité et l'application larges des thérapies cellulaires dans des établissements décentralisés. Pour surmonter ces limitations, imec exploite son expertise en technologie CMOS, photonique et fluidique pour automatiser, miniaturiser et paralléliser la cytométrie en flux. Dans une étude publiée dans Scientific Reports, imec et Sarcura présentent un cytomètre à flux sur puce avec photonique intégrée. La puce opto-fluide fabriquée sur la ligne pilote CMOS de 200 mm d'imec dispose d'une pile de matériaux révolutionnaire, permettant à la fois l'éclairage des cellules, la capture de la lumière diffusée via des guides d'ondes, et l'alimentation précise des cellules vers les points de détection via des canaux microfluidiques.

"La photonique en silicium, telle qu'elle est démontrée avec succès dans cette nouvelle puce photonique, est un composant révolutionnaire et essentiel qui combine la détection individuelle de cellules avec une parallélisation massive sur une surface de base considérablement réduite. Cette avancée ouvre de nouvelles possibilités pour relever des défis encore insolubles dans des applications telles que la fabrication de thérapies cellulaires", explique Daniela Buchmayr, PDG et cofondatrice de Sarcura.

Niels Verellen, directeur scientifique chez imec, a déclaré : "Nous avons montré pour la première fois qu'une puce biophotonique monolithiquement intégrée peut être utilisée pour collecter la lumière diffusée optiquement, permettant de distinguer les lymphocytes et les monocytes à partir de l'échantillon sanguin d'un patient, avec des performances comparables à celles des cytomètres commerciaux. L'avantage principal réside dans la possibilité de paralléliser de manière dense plusieurs canaux de flux pour augmenter le débit du système." Lors d'une étape suivante, la conception compacte et sans alignement devrait permettre d'identifier des milliards de cellules en peu de temps.

Il est crucial que l'architecture de la puce s'intègre parfaitement au module de tri cellulaire Bubble-Jet développé précédemment par imec, compatible avec la fabrication à l'échelle des wafers. De plus, les composants photonique et la disposition peuvent être adaptés aux applications spécifiques. Cette preuve de concept constitue ainsi une étape essentielle vers des plateformes de tri cellulaire économiques, évolutives et hautement parallélisées.