Développement de médicaments - avec des dizaines de milliers de gouttelettes minuscules sur une petite plaque de verre
L'ETH Zurich a breveté cette méthode et l'a nominée pour le Spark Award de cette année ; une spin-off est en cours de création
Une plaque de verre, un tube délicat et un bain d'huile suffisent : grâce à une nouvelle méthode, les chercheurs de l'ETH Zurich peuvent produire des dizaines de milliers de minuscules gouttelettes en quelques minutes. Ils peuvent ainsi tester des enzymes et des ingrédients actifs plus rapidement, plus précisément et avec moins de ressources qu'auparavant.
Que se passe-t-il lorsqu'une enzyme rencontre un ingrédient actif potentiel censé l'inhiber ou l'activer ? C'est précisément de cela qu'il s'agit dans le cadre du développement d'un médicament. L'analyse de l'interaction d'une enzyme avec une molécule d'ingrédient actif est toutefois extrêmement complexe. Le groupe dirigé par Petra Dittrich, professeur de bioanalyse à l'ETH Zurich, a mis au point une méthode qui simplifie radicalement ces tests : leur méthode permet de produire jusqu'à 100 000 minuscules gouttelettes contenant des enzymes et des substrats sur une plaque de verre - en 40 minutes seulement et sans utiliser de pipette.
Jusqu'à présent, la plupart des chercheurs ont utilisé des plaques de microtitration pour de telles analyses. Il s'agit de plaques en plastique standardisées de la taille d'une main, comportant jusqu'à 1 500 petits puits. Chacun de ces puits est en fait une mini éprouvette que l'on remplit de pipettes. La nouvelle méthode mise au point par les chercheurs de l'ETH est beaucoup plus efficace, moins gourmande en ressources et plus souple.
Des gouttes qui atterrissent avec une grande précision
Au cœur de la méthode se trouve une plaque de verre revêtue de la taille d'une lame de microscope, mesurant environ deux centimètres sur sept. Sa surface est recouverte d'une couche hydrofuge qui a été exposée en 100 000 points : de minuscules sites d'atterrissage de gouttelettes qui aiment l'eau (hydrophiles). La solution d'essai est introduite par un tube délicat sur la plaque de verre, qui se déplace sous un contrôle précis. Dès que le liquide atteint un point hydrophile, une minuscule goutte s'en détache et y adhère précisément. Les gouttelettes sont minuscules : selon la taille de la plaque de verre, leur diamètre varie de 50 à 250 micromètres - plus fines qu'un cheveu humain et à peine visibles à l'œil nu.
Pour que les gouttelettes restent stables, toute la plaque de verre est immergée dans un bain d'huile peu profond. L'huile empêche les minuscules quantités de liquide de s'évaporer, même au cours d'expériences qui durent toute une journée, et protège de la contamination. Après l'expérience, l'huile peut même être récupérée, nettoyée et réutilisée.
L'ensemble du processus de production de gouttelettes est automatisé au moyen d'un appareil compact de la taille d'un microscope qui peut également effectuer de la microscopie, cultiver des cellules et changer automatiquement d'échantillon. "Auparavant, il fallait une demi-heure pour tout mettre en place correctement", explique M. Breitfeld. "Aujourd'hui, grâce à notre automatisation, il suffit d'appuyer sur un bouton pour que l'expérience soit lancée", explique Maximilian Breitfeld, scientifique au sein du groupe de recherche de M. Dittrich. De plus, la combinaison d'un contrôle précis et d'une protection physique de l'huile permet de faire varier la composition des gouttelettes de manière ciblée - tantôt avec plus, tantôt avec moins d'ingrédients actifs, ce qui permet d'obtenir de fins gradients de concentration. Les chercheurs peuvent ainsi observer les enzymes sur une période plus longue, par exemple, ou étudier l'effet des ingrédients actifs sur les cellules dans le cadre d'essais hautement parallèles. Les gouttelettes sont ensuite analysées par microscopie à fluorescence ou par spectrométrie de masse, ce qui permet de suivre avec précision les réactions enzymatiques.
Quand les heures deviennent des minutes
L'idée de base découle de travaux antérieurs réalisés par le groupe, qui avait déjà généré des gouttelettes pour des applications de criblage. "Nous savions comment la technologie fonctionnait en principe, mais elle était trop lente pour être compétitive dans la pratique", explique M. Dittrich. Les anciens doctorants Maximilian Breitfeld et Claudius Dietsche ont franchi les étapes décisives : leur nouveau procédé permet non seulement d'accélérer massivement la génération de gouttelettes, mais aussi d'automatiser l'ensemble du processus.
L'ETH Zurich a breveté le processus et l'a désigné comme finaliste du Spark Award de cette année.
Gestion d'une énorme quantité de données
L'énorme potentiel de la méthode s'accompagne d'un nouveau défi. "Nous générons une énorme quantité de données", explique M. Dittrich. "Il n'est plus possible de les évaluer manuellement. Nous avons besoin de solutions logicielles qui nous aident à analyser les informations de manière significative.
Alors que la quantité de données augmente rapidement, la consommation de ressources reste étonnamment faible : jusqu'à cinq kilogrammes de plastique non recyclable peuvent être économisés par expérience, l'huile utilisée peut être collectée, tandis que la consommation de produits chimiques est considérablement réduite par rapport aux méthodes conventionnelles, étant donné qu'un cycle expérimental complet ne nécessite que des microlitres au lieu de litres de milieu réactionnel.
Néanmoins, la méthode présente des limites évidentes. Alors que les minuscules gouttelettes sont parfaites pour des réactions rapides dans de petits volumes, comme c'est souvent le cas en microfluidique, la nouvelle méthode n'est pas adaptée à des volumes plus importants de liquide ou à des cultures de tissus qui se développent sur plusieurs semaines.
De la recherche à l'essaimage
Les chercheurs envisagent maintenant de créer une entreprise dérivée pour lancer la méthode sur le marché. Ils prévoient de vendre un système complet composé de plaques de verre, d'équipements et de logiciels, ainsi que des tests biologiques en option.
"Pour moi, il est essentiel que le système soit réellement fiable et facile à utiliser", explique M. Dietsche. "Il ne pourra être utilisé au-delà de notre laboratoire de recherche que si nous pouvons garantir sa convivialité. La demande est déjà manifeste, indiquent les chercheurs, et la nomination au prix Spark leur donne un élan supplémentaire pour l'essaimage prévu.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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