Les chercheurs de Stanford Medicine inventent un dispositif électromagnétique capable de trier en douceur différents types de cellules en les faisant léviter à différentes hauteurs.
Cela ressemble à un tour de magie : les cellules situées au fond d’un milieu liquide commencent à léviter, puis planent à une hauteur particulière. Sans contact physique, une force invisible fait flotter certaines cellules vers le haut ou vers le bas à l’unisson, comme des mini-sous-marins.
Mais il n’y a pas de tour de passe-passe ici. Tout cela se déroule dans un nouveau dispositif de tri de cellules qui utilise la lévitation électromagnétique pour diriger avec précision le mouvement des cellules. Développé par des chercheurs et collaborateurs de Stanford Medicine, l'appareil peut être utilisé pour séparer différents types de cellules – les cellules cancéreuses des cellules saines ou les cellules vivantes des cellules mortes, par exemple – avec de nombreuses applications potentielles en laboratoire et en clinique.
« En milieu clinique, vous pouvez disposer d'un échantillon de biopsie de très faible volume et souhaiter examiner certaines cellules et les conserver viables pour des tests génomiques ultérieurs – ce serait une application parfaite pour cette technologie », a déclaré Gozde Durmus, PhD, professeur adjoint de radiologie et auteur principal d'un article publié le 8 septembre dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences décrivant la nouvelle technologie.
L'auteur principal est Malavika Ramarao, une ancienne chercheuse du laboratoire de Durmus.
Contrairement à d’autres techniques de tri cellulaire, le nouveau dispositif, appelé Electro-LEV, ne nécessite pas de fixer des marqueurs fluorescents ou des anticorps aux cellules, ni de les exposer à des produits chimiques agressifs ou à des forces centrifuges. Au lieu de cela, les cellules sont séparées en fonction de leur densité et de leur susceptibilité magnétique.
« Nous pouvons les trier en douceur », a déclaré Durmus.
Une paire d'aimants
Electro-LEV s'appuie sur un simple système de lévitation magnétique développé par Durmus il y a plus de dix ans. En 2015, elle a publié un article montrant que le système pouvait faire léviter à peu près n’importe quel type de cellule.
Les cellules peuvent léviter parce que tout sur Terre possède des propriétés magnétiques inhérentes. »
Gozde Durmus, PhD, professeur adjoint de radiologie et auteur principal d'un article
Le système de lévitation magnétique se compose d'une paire d'aimants, chacun de la taille d'un bâton de gomme et légèrement plus puissants que les aimants de réfrigérateur ordinaires, placés l'un sur l'autre, du pôle nord au pôle nord et du pôle sud au pôle sud. Un capillaire en verre étroit, de 1 millimètre de diamètre, est pris en sandwich entre les deux aimants. Les cellules dans une solution paramagnétique circulent dans le capillaire.
(Les solutions paramagnétiques, telles que les agents de contraste utilisés pour améliorer les examens IRM, amplifient légèrement un champ magnétique externe.)
« Les forces magnétiques avec lesquelles nous travaillons sont très faibles, environ 0,4 Tesla », a déclaré Durmus. « Mais la beauté de notre système réside dans le fait que nous plaçons les aimants si près les uns des autres que le gradient du champ magnétique est très important. C'est le truc. »
Le gradient du champ magnétique correspond à la variation de l’intensité du champ magnétique en fonction de la distance et augmente lorsque deux aimants sont plus proches l’un de l’autre. Plus le gradient est grand, plus la force qu'il applique aux objets sur le terrain est importante.
En comparaison, les puissants aimants des appareils IRM mesurent environ 7 Tesla, mais sont espacés d’environ 1 mètre. « Le gradient du champ magnétique dans un appareil IRM est en réalité plus petit que celui que nous créons dans notre tout petit appareil, dans lequel les aimants sont espacés de 1 millimètre », a déclaré Durmus.
À l’intérieur du capillaire, le gradient du champ magnétique fait léviter les cellules jusqu’à un point d’équilibre. La hauteur exacte dépend en grande partie de la densité d'une cellule, qui diffère selon le type et l'état de la cellule.
Bien que le système de lévitation magnétique décrit dans l’article de 2015 ait permis aux chercheurs de distinguer visuellement différents types de cellules, les différences étaient souvent trop faibles pour trier pratiquement les cellules. La configuration était également statique, ce qui signifie qu’il n’y avait aucun moyen d’ajuster les conditions au cours d’une expérience.
« Après avoir fait léviter une cellule, si vous vouliez la léviter davantage, vous deviez préparer un nouvel échantillon pour ajuster les propriétés paramagnétiques. C'était un défi », a déclaré Durmus.
Changer le courant
Le nouvel appareil ajoute des bobines électromagnétiques aux deux aimants. En ajustant le courant électrique qui traverse les bobines, les chercheurs peuvent modifier instantanément la force magnétique appliquée aux cellules.
« Avec notre conception actuelle, vous pouvez manipuler très précisément les cellules pour les séparer davantage », a déclaré Durmus.
Les cellules en lévitation à des hauteurs distinctes sont triées au fur et à mesure qu’elles s’écoulent du capillaire, qui se ramifie en une sortie supérieure et une sortie inférieure.
« Si le tri ne se passe pas bien, il suffit de changer le courant », a expliqué Durmus. « Tout est sous votre contrôle en temps réel, donc c'est plus convivial. »
Mort ou vivant
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont démontré qu'Electro-LEV pouvait affiner la lévitation de divers types de cellules, notamment les cellules du cancer du sein, les cellules du cancer du poumon, les fibroblastes et les globules blancs.
Ils ont ensuite testé la capacité du système à résoudre un problème courant dans la préparation d’échantillons biologiques : séparer les cellules vivantes des cellules mortes. Par exemple, pour un séquençage précis de l’ARN unicellulaire et un dépistage de la toxicité des médicaments, les cellules mortes doivent être éliminées. Et lors d’une transplantation de cellules souches, les cellules mortes peuvent déclencher des réponses inflammatoires dangereuses.
Heureusement, les cellules mortes ne volent pas aussi haut que les cellules vivantes. « Une fois que les cellules sont mortes, leurs membranes cellulaires sont généralement endommagées et présentent davantage de fuites, elles absorbent donc davantage de solution paramagnétique et deviennent plus denses », a déclaré Durmus.
Lorsque les chercheurs ont commencé avec un échantillon de 50 % de cellules vivantes, ils ont découvert qu’Electro-LEV pouvait trier suffisamment bien les cellules vivantes et mortes pour obtenir un échantillon d’environ 93 % de cellules vivantes. Même avec un échantillon initial de seulement 10 % de cellules vivantes, Electro-LEV pourrait obtenir un échantillon d’environ 70 % de cellules vivantes.
Le système pourrait même avoir la capacité de trier des cellules de densité similaire. Les chercheurs ont découvert que, comparés aux cellules cancéreuses uniques, les groupes de cellules cancéreuses réagissaient plus rapidement aux changements du champ magnétique. En effet, les cellules individuelles ont une plus grande surface par rapport à leur volume et subissent une plus grande force de traînée. Le phénomène suggère que la vitesse de lévitation pourrait être un moyen de surveiller les groupes de cellules cancéreuses, qui ont tendance à être plus agressives et plus susceptibles de provoquer des métastases, a déclaré Durmus.
Elle envisage des applications de grande envergure pour la lévitation électromagnétique, triant tout, des cellules cancéreuses aux microbes, assemblant des cellules en organoïdes ou même dirigeant des microrobots.
« C'est une plateforme large et polyvalente », a déclaré Durmus. « Je pense qu'il y aura des applications auxquelles nous n'avons même pas encore pensé. »
Un chercheur de l’Université Ozyegin en Turquie a contribué aux travaux.
L'étude a reçu un financement de la Fondation Burroughs Wellcome, de la Fondation Gordon et Betty Moore, de la Fondation Donald E. et Delia B. Baxter et du prix McCormick et Gabilian de l'Université de Stanford.
