Le criblage cellulaire continu à haut débit présente plusieurs avantages par rapport aux méthodes conventionnelles actuelles basées sur des plaques. Les capacités uniques de manipulation des liquides offertes par les systèmes microfluidiques ont permis d'explorer et de cribler plusieurs centaines de milliers de cellules en quelques minutes ou quelques heures avec 1 000 fois moins de réactifs (1-3).
Les systèmes microfluidiques à base de gouttelettes s'imposent comme des outils précieux pour diverses applications qui nécessitent des analyses biologiques et chimiques en plusieurs étapes. Le séquençage génomique à cellule unique est récemment apparu comme un outil puissant pour cartographier l'hétérogénéité cellulaire dans les tissus malades et sains. La microfluidique à base de gouttelettes est l'un des candidats les plus prometteurs pour la capture et le traitement de milliers de ces cellules individuelles pour une analyse du transcriptome entier ou génomique de manière massivement parallèle avec une utilisation minimale de réactifs. Un avantage particulier de la microfluidique à base de gouttelettes par rapport aux méthodes d'analyse ou de criblage conventionnelles est que la gouttelette offre la possibilité de lier le génotype au phénotype grâce à la méthode de compartimentation puisque chaque gouttelette se comporte comme un réacteur isolé qui renferme des cellules individuelles qui peuvent être facilement manipulées et à partir desquelles des informations génomiques sont facilement obtenues. Les molécules d'intérêt restent piégées à l'intérieur de la gouttelette et sont disponibles pour l'analyse et le tri, ce qui permet un codage à barres efficace et une analyse précise.
Potomac est un pionnier des nouvelles technologies de microfabrication qui permettent le prototypage rapide de différents concepts de conception microfluidique de gouttelettes à l'aide de matériaux hautes performances adaptés à la mise à l'échelle de la fabrication industrielle. Dans la section suivante, nous aborderons la conception et la fabrication de ces puces microfluidiques hautement polyvalentes.
Conception de puces microfluidiques à gouttelettes
Afin de tirer parti des avantages de la microfluidique en gouttelettes, la puce microfluidique doit être conçue comme un « générateur de gouttelettes ». Les gouttelettes sont généralement générées en créant deux phases liquides, dont l'une est une phase huileuse et la seconde est généralement une phase aqueuse. L'une des phases est désignée par le concepteur comme la phase continue tandis que l'autre est la phase dispersée. Les gouttelettes sont produites en incorporant des canaux et des caractéristiques dans le dispositif microfluidique qui créent les conditions hydrodynamiques requises pour la formation de gouttelettes, et le processus de formation de gouttelettes dépend fortement de l'interaction du débit, des propriétés physiques du liquide et de la géométrie des caractéristiques sur la puce(4). Les conceptions de caractéristiques sont généralement classées comme « co-flux », « flux croisé » et « focalisation de flux ». Le co-flux est obtenu à l'aide de microcanaux coaxiaux où la phase continue s'écoule dans un canal concentrique externe et la phase dispersée s'écoule dans le canal interne, tous deux dans la même direction. Dans la conception à flux croisé, les phases dispersées et continues se rencontrent à un angle formé par la fabrication de canaux d'écoulement microfluidiques qui se croisent. Le cas le plus courant est la jonction en T, où les phases dispersées et continues convergent dans des canaux perpendiculaires. D'autres conceptions de canaux microfluidiques pour la production de gouttelettes par écoulement transversal incluent la « jonction en K » et la « jonction en V ». Enfin, les conceptions de focalisation de flux intègrent une région de contraction microfluidique à travers laquelle des flux coaxiaux immiscibles s'écoulent et sortent ensuite vers un seul microcanal, ce qui entraîne la création de gouttelettes uniformes. Cette méthode permet de fabriquer de très petites gouttelettes car le processus de formation est étroitement lié à la taille de la contraction étroite.
Fabrication de puces en forme de gouttelettes
Les technologies de microfabrication avancées permettent la conception flexible de puces microfluidiques à gouttelettes, de sorte qu'aujourd'hui, une conception de puce peut être rapidement prototypée pour des tests d'applications à l'aide de diverses techniques telles que l'usinage laser direct et mécanique et l'impression 3D. Une fois la conception finalisée, elle peut être augmentée en volume et réduite en coût en utilisant des technologies de microréplication telles que le gaufrage à chaud et le moulage par microinjection. L'équipe Process & Product Technology de Potomac possède l'expertise nécessaire pour développer des solutions de microfabrication évolutives qui aboutissent à un processus de fabrication entièrement intégré pour la production de ces puces. Nous utilisons également une variété de technologies avancées de traitement de surface et de collage de puces pour modifier les propriétés des matériaux et obtenir des joints qui peuvent résister à la pression. Les experts en microfluidique et en microfabrication de Potomac peuvent même vous conseiller sur la conception de la puce microfluidique personnalisée pour votre application et développeront un modèle de coût détaillé qui vous permettra de prédire comment vos coûts unitaires évolueront à mesure que vos exigences de production augmenteront.
Il reste une grande marge de manœuvre pour l'innovation dans le domaine de la microfluidique en gouttelettes et les laboratoires du monde entier continuent d'identifier de nouvelles applications pour cette technologie. L'analyse de cellule unique à l'aide de la microfluidique en gouttelettes est susceptible d'évoluer parallèlement aux avancées de l'ADN et
Technologies de séquençage, d'amplification et d'expression d'ARN.
Références
1. Kaminski, TS, Scheler, O. & Garstecki, P. Microfluidique en gouttelettes pour la microbiologie : techniques, applications et défis. Lab Chip 16, 2168–2187 (2016).
2. Teh, SY, Lin, R., Hung, LH et Lee, AP Microfluidique des gouttelettes. Lab Chip 8, 198–220 (2008).
3. Schütz, SS, Beneyton, T., Baret, JC & Schneider, TM Conception rationnelle d'un trieur de gouttelettes à haut débit. Lab Chip 19, 2220–2232 (2019).
4. Shang et al., Chem Rev., 2017, 117, 7964-8040
