In Situ Electrical Sensing of Microfiltration Events in Complex Media

Détection électrique In-Situ des événements de microfiltration dans des milieux complexes La microfiltration constitue un domaine scientifique et technologique bien documenté, mais qui nécessite encore des recherches approfondies lorsqu'il s'agit de cibler la filtration spécifique et précise d'éléments rares au sein d'un milieu complexe. En effet, des solutions innovantes pour le filtrage d'échantillons dans des milieux complexes pourraient être la clé de multiples problématiques liées à la santé et à l'environnement. Le sang est un exemple concret de milieu complexe : il contient une quantité importante et variée de cellules et de protéines, présentant une viscosité trois à huit fois supérieure à celle de l'eau, ainsi qu'un comportement non newtonien en écoulement. Les applications cliniques de la filtration sanguine nécessitent le traitement de grands volumes de sang, soit en raison de la rareté des éléments ciblés (dans le cas de la capture des cellules tumorales circulantes, la pertinence clinique commence à 5 CTC/mL de sang), soit parce que l'ensemble du sang circulant doit être purgé d'entités indésirables (telles que des agrégats cellulaires ou des microparticules circulantes dans les maladies cardiovasculaires et les accidents vasculaires cérébraux). Enfin, la nature biologique des éléments ciblés peut introduire une variabilité dans leur taille et leur forme, posant ainsi des défis fluidiques pour leur récupération au sein de tels milieux.La filtration sanguine est un processus central dans l'hémodialyse, la surveillance des maladies cardiovasculaires et les applications de biopsie liquide basées sur la capture sélective des cellules tumorales circulantes (CTC), entre autres contextes cliniques. Pour de telles applications, la micro et nano fabrication utilisant des méthodes et des techniques de précision de l'industrie des semi-conducteurs offre la possibilité de contrôler avec une grande précision la taille des pores de filtration par rapport à la taille des éléments ciblés nécessitant une filtration. Ce niveau de précision dans le processus de fabrication ouvre la voie à la rétention exclusive de l'élément ciblé, conduisant à l'information biologique dans le cas d'une application diagnostique, ou à la pathogénicité dans le cas d'applications thérapeutiques, sans altérer la composition du sang élué. Cependant, en raison du traitement d'un grand volume de sang et de la présence de millions de globules blancs et de milliards de globules rouges par millilitre de sang, de tels filtres microfabriqués sont sujets à l'obstruction due à l'accumulation de matériau retenue au fil du temps. Ce désavantage incite au développement d'une méthode in-situ capable de détecter la densité cellulaire à la surface de ces filtres pendant leur utilisation, afin de surveiller leur saturation en vue de nettoyer leur surface ou de procéder à leur remplacement par d’autres filtres. Dans ce contexte, nous proposons des dispositifs microfabriqués en salle blanche capables de répondre à ces exigences. Les dispositifs de détection produits combinent une membrane de filtration avec une méthode de détection cellulaire électrique in-situ à travers des microélectrodes interdigités et des mesures de spectroscopie d'impédance. Malgré l'utilisation de pores de filtration à l'échelle du micron et de dispositifs microfabriqués, nous proposons un design spécifique permettant la filtration sanguine à un débit élevé (11,5 mL/min), bien supérieur à celui des dispositifs microfluidique habituels. Enfin, nous démontrons que des mesures électriques stables peuvent être réalisées dans du sang entier à des débits élevés pour surveiller la saturation du filtre par les cellules retenues. De plus, l'analyse fine des cellules capturées, habituellement confiée à des laboratoires externes, pourrait être transférée au chevet du patient tout au long du traitement des échantillons, si une analyse in-situ et une phénotypisation en temps réel des cellules collectées par leur signature électrique pouvaient être démontrées.