A la croisée de la biologie, de la biochimie, de l’électronique, de la mécanique des fluidiques et de la thermodynamique, de nouveaux outils se préparent. Ceux-ci viendront peut être trouver des applications dans les laboratoires de génomique mais au-delà de cette perspective, ils pourraient trouver des applications au niveau des professionnels de santé eux-mêmes avant d’être accessibles aux clients-patients-citoyens directement.

Les Lab-on-Chips (ou Laboratoire sur puce) sont un concept qui a émergé dans les années 90 et qui au sein des laboratoires de biologie moléculaire a trouvé une application largement répandue sous la forme des puces Agilent consommables pour BioAnalyzer. La technologie d’Agilent, basée sur une électrophorèse ou une cytométrie de flux microfluidique, offre un outil de contrôle de la quantité, qualité (distribution de taille, intégrité des ARNs extraits etc.) des molécules considérées. Même si les puces Agilent sont affublées du qualificatif de « Lab-on-Chip« , elles nécessitent un appareillage dédié et bien entendu un PC relié. L’outil est encore loin du modèle rêvé, c’est-à-dire complètement autonome (en une version « stand alone »).

L’émergence de ce type de laboratoires a été, en partie, permise grâce à des budgets alloués à la lutte contre le bioterrorisme. En effet, des laboratoires qui tiennent dans une poche de treillis, qui peuvent être employés sur n’importe quel théâtre d’opération, peuvent venir parfaire le paquetage des experts en sécurité intérieure. Les laboratoires Sandia (Sandia National Laboratories) font partie des principaux laboratoires nationaux du département de l’Énergie des États-Unis et sont des pionniers de ces applications avec les développements réalisés par MicroChemLab qui est actif depuis 1988 sur ce type de développements.

Aujourd’hui les laboratoires unipersonnels de diagnostic embarqués sont devenus très populaires, pour des applications liées à des analyses biochimiques. L’un des exemples les plus fameux concerne le BG-Star (Sanofi Diabète) permettant de réaliser en quelques secondes, très aisément, des lectures de glycémie. L’outil est basé sur le principe de l’électrochimie dynamique où une bandelette jetable accueille une goutte de sang qui vient activer une glucose oxydase.

Les avantages de ce type de technologies :

– Une faible consommation de volume de fluide, en raison des volumes internes  faibles des puces, ce qui minimise la quantité de déchets, baisse des coûts des réactifs onéreux et surtout minimise la quantité nécessaire d’échantillon de départ

– Une rapidité d’exécution où l’efficacité des réactions biochimiques est permise par la miniaturisation de l’outil, en effet la taille du dispositif ne nécessite qu’une faible quantité d’énergie pour fonctionner

– Un meilleur contrôle du processus en raison d’une réponse rapide du système (par exemple, le contrôle thermique pour des réactions chimiques exothermiques)

– Une parallélisation massive due à la compacité, qui permet l’analyse à haut-débit

– Une réduction des coûts de fabrication, permettant une utilisation de puces jetables, un processus qui deviendra rentable s’il est fabriqué en masse

– Une plateforme plus sûre pour les produits chimiques, les études radioactives ou biologiques en raison de la grande intégration du système (souvent en système clos), des faibles quantités de réactifs et d’échantillons nécessaires

Les vertus de la miniaturisation ne nécessitent pas plus amples apologies ! Depuis quelques années l’idée d’un laboratoire qui tient au creux de la main a réellement commencé à voir le jour.

Des exemples de ces laboratoires portatifs commencent à poindre dans des versions de plus en plus intégrées.

Ainsi la technologie Mondrian développée par NuGEN, technologie basée sur de la microfluidique digitale, permet de simplifier les étapes de constitution de librairie de séquences haut-débit.

Destinagenomics propose un système analytique ne faisant pas intervenir d’enzymes. Ce système fait intervenir des sondes interrogatives de mutations que la société souhaite embarquer dans des puces : la preuve du concept a été publiée par  Pernagallo et al. (Sensors (Basel). 2012).

http://youtu.be/k-NnBS2xDLo

Panasonic, le groupe japonais, numéro 4 mondial de l’électronique, en partenariat avec la société belge, Imec, propose d’embarquer dans une puce d’ 1 cm2 : une pompe permettant aux fluides de circuler, une unité d’extraction d’ADN à partir de la goutte de sang prélevée, un thermocycleur, une unité de purification de produits de PCR, et un système de détection de SNPs.

Le concept est séduisant, mais pour être viable et concurrencer les coûts de génotypages basse densité qui sont relativement bas (quelques euros / marqueur), les concepteurs des Laboratoires sur Puces misent donc sur une large diffusion de leur produit. Ainsi la production de masse impacte drastiquement le coût de production qui lui-même est impacté sur le prix vente… un prix de vente attractif et une simplicité d’utilisation qui dope les ventes… et donc fait baisser les coûts de production…

Le pari réside dans le fait d’amorcer ce cercle vertueux, en quelque sorte chaque opérateur du marché – au niveau d’une application donnée- souhaite assommer la concurrence ! Une course au développement est donc lancée.

Revenons à la science ! Vous trouverez ici le document pdf. présentant la technologie de Panasonic/Imec,

Concernant l’application de séquençage, Oxford Nanopore proposera une « clé USB » capable de séquencer, le Minion.

Dans le futur il est envisageable, d’imaginer un outil combinant la technologie de séquençage de 3ème génération, d’un Oxford Nanopore, par exemple, avec en amont un dispositif intégrant (à l’instar du projet de Panasonic), une micro-pompe, un réseau microfluidique permettant d’alimenter en échantillon et réactifs les différents éléments permettant une extraction d’ADN/ARN, la constitution d’une librairie, une purification…

Parle-t’on ici de science fiction  ? Pour un début de réponse, il faut comprendre que séparément toutes ces solutions technologiques existent déjà.

Pour les plus férus de laboratoires miniaturisés, un journal scientifique est là pour eux, explicitement nommé : Lab on a Chip.