Biopuce microfluidique modulaire

Sujet de recherche



Des systèmes microfluidiques à base de polymères pour des applications analytiques, biologiques et médicales ont été développés depuis de nombreuses années à l'Institut de Technologie des Microstructures de l'Institut de Technologie de Karlsruhe. Ces systèmes se composent généralement de deux chambres de logement microstructurées qui sont séparées par une membrane poreuse. Les chambres sont fabriquées par estampage à chaud de polymères biocompatibles tels que le polycarbonate (PC), le polyéthylène téréphtalate (PET) ou les copolymères d'oléfines cycliques (COC). Diverses techniques de fabrication telles que des techniques spéciales d’adhésion, de thermocollage ou de soudage par ultrasons sont utilisées pour l'assemblage.

En coopération avec divers partenaires de biologie ou de médecine, de tels systèmes ont été utilisés pour étudier la différenciation de cellules souches animales, la migration de cellules cancéreuses dans un vaisseau sanguin artificiel ou pour simuler la barrière hémato-encéphalique. En coopération avec l'Institut Botanique du KIT, un bioréacteur microfluidique pour cellules végétales a aussi été développé afin de combiner des cellules avec différents substrats métaboliques, de manière modulaire et ainsi pouvoir tester de nouvelles substances actives.

bioréacteur microfluidique
Image 1: Le bioréacteur microfluidique avec ses connexions.

Ce que la puce végétale permet de faire :
Dans un ouvrage publié dans la revue spécialisée Protoplasma (https://link.springer.com/article/10.1007/s00709-021-01650-0), les divers usages de cette puce végétale modulaire sont décrits. Quand les cellules végétales sont cultivées à forte dilution, elles ne se divisent pas. A l'aide de la puce, il a pu être démontré que ces cellules "solitaires" recommencent à se diviser quand elles perçoivent des signaux du compartiment "en aval" de la puce où les cellules sont présentes en grand nombre. Cela signifie que les cellules peuvent percevoir combien d'autres cellules se trouvent dans leur environnement (ce qu'on appelle le quorum sensing).

Quorum sensing dans les cellules végétales
Image 2: Quorum sensing dans les cellules végétales.


Les premiers candidats moléculaires de cette « hormone sociale » sont actuellement à l'étude. Dans une seconde application, différentes lignées cellulaires de la pervenche de Madagascar (Catharanthus roseus) ont été combinées via la puce. Cette plante produit le principe actif anti-tumoral particulier, la vincristine, certes en quantités infimes (pour 1 mg, il faut 200 kg de matière foliaire). Depuis plus d'un demi-siècle, on essaie en vain de produire cette substance en fermenteur. Mais cette voie métabolique très complexe se scinde en deux branches s'inhibant mutuellement, qui doivent ensuite être à nouveau réunies pour former un précurseur essentiel, la vindoline. Dans la plante, cette difficulté est contournée car chaque branche réactionnelle est active dans 2 types tissulaires différents. Ce processus a maintenant été reproduit avec succès dans la puce. Alors qu'une lignée cellulaire ne produit que de la tabersonine, l'autre lignée ne produit que de la catharantine.

Avec l'aide de la puce, ce « Lego métabolique » pourrait être utilisé pour simuler un travail d'équipe et produire pour la première fois de la vindoline en culture cellulaire.

LEGO métabolique avec des cellules végétales
Image 3: LEGO métabolique avec des cellules végétales


La troisième application va encore plus loin - ici, un petit écosystème est simulé sur la puce en cultivant ensemble des cellules végétales et fongiques. Ce sont des champignons qui vivent dans le bois de la vigne et qui, depuis quelques années, en réponse aux étés secs et chauds, se sont soudainement mis à produire des toxines qui provoquent une maladie des vignes. La formation de ces phytotoxines pourrait désormais aussi être simulée avec la puce. Dans ce cas aussi, les premières toxines ont déjà été caractérisées à l’échelle moléculaire.

Phytotoxines de champignons
Image 4: Phytotoxines de champignons




Utilisations possibles de la biopuce
Vidéo en allemand

Video modularer Pflanzenreaktor




Références

Finkbeiner T, Manz C, Raorane ML, Metzger C, Schmidt-Speicher L, Shen N, Ahrens R, Maisch J, Nick P, Guber AE. A modular microfluidic bioreactor to investigate plant cell-cell interactions. Protoplasma. 2021 May 2. doi: 10.1007/s00709-021-01650-0.

Maisch J, Kreppenhofer K, Büchler S, Merle C, Sobich S, Luy B, Ahrens R, Guber A, Nick P (2016) Time-resolved NMR metabolomics of plant cells based on a microfluidic chip. J Plant Physiol 200, 28-34





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