Commande automatique de la diélectrophorèse : application aux plateformes microfluidiques de tri cellulaire – Codicell

CoDiCell a l’ambition de développer des méthodologies innovantes dans le contrôle de trajectoire de grandes populations de cellules biologiques à haute vitesse dans des puces fluidiques. Ce projet combine des approches issues de la microfluidique et de la microrobotique. Les puces fluidiques assurent des déplacements importants d’une grande quantité de cellules alors que la microrobotique garantit un positionnement précis d’une cellule unique. Le but du projet CoDiCell est de réaliser un contrôle de trajectoire précis et individualisé de chaque cellule à haute vitesse.
Ces méthodologies seront directement appliquées pour la création d’une nouvelle génération de puces de tri cellulaire automatique, les « smart cell sorters », présentant une sélectivité supérieure aux puces conventionnelles. Deux avancées majeures sont attendues : (i) le suivi en temps réel de la position de chaque cellule à l’aide de capteurs pour garantir le tri et (ii) la capacité à tester directement les affinités biologiques entre deux cellules en contrôlant leur trajectoire pour les amener dans un voisinage proche.
Ce projet ouvre la voie vers le transfert adoptif de cellules (ACT) pour le traitement contre le cancer. Cette technique innovante et ultra personnalisée basée notamment sur le clonage de lymphocytes T ayant la capacité d’attaquer des cellules cancéreuses se heurte au problème d’identification des lymphocytes capables de détruire les cellules tumorales. Ils sont présents en très faibles quantités, de l’ordre de 0.1%, en dessous des seuils de détection des systèmes actuels. Ce projet propose un système de tri où chaque lymphocyte sera amené de manière contrôlée en regard de cellules tumorales par un actionnement diélectrophorétique à distance. Les lymphocytes établissant un contact prolongé avec ces cellules seront détectés et isolés.
Le défi principal de ce projet vient du nombre important de lymphocytes qui doivent être testés de manière individuelle dans un temps réduit. Trois verrous scientifiques et techniques majeurs seront résolus au cours de ce projet : (i) le contrôle de trajectoire à haute vitesse pour tester un nombre important de lymphocytes par seconde, le contrôle simultané d’un grand nombre de lymphocytes pour paralléliser les étapes de tri et le contrôle précis de trajectoire dans une puce fluidique pour amener chaque lymphocyte en regard d’une cellule tumorale et tester leurs affinités. Trois axes scientifiques seront développés : (i) une modélisation complète de la puce couplant les aspects fluidiques et diélectrophorétiques utilisés pour le déplacement des lymphocytes, (ii) une synthèse de lois de commande adaptées à la forte non linéarité du champ diélectrophorétique et aux mouvements du fluide et (iii) la définition d’algorithmes de détection et de suivi de trajectoires dédié à l’utilisation de capteurs de position originaux (capteurs évènementiels, impédance spectroscopie) qui garantissent la rapidité et le suivi d’un grand nombre de cellules en parallèle.
Ce projet multidisciplinaire s’appuie sur trois laboratoires possédant des compétences complémentaires : le LMIS4 de l’EPFL qui possède une expérience reconnue en actionnement par diélectrophorèse et en intégration de puces fluidiques pour des applications biologiques, le CNRS à travers ses Instituts FEMTO-ST et ISIR qui est reconnu dans le domaine de la microrobotique et le contrôle en boucle fermée, à la fois pour la définition des lois de commande et le suivi visuel à l’aide de capteurs innovants évènementiels et l’Etablissement Français du Sang (EFS), reconnu dans le domaine de l’oncology, qui assure la pertinence applicative et l’expertise biologique. CoDiCell est une collaboration originale transfrontalière et transdisciplinaire qui apportera des avancées majeures dans le domaine du contrôle de trajectoire pour de grandes populations de cellules appliqué à un domaine applicatif prometteur : le tri ultra sélectif de cellules.