CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

26 novembre 2019
Biopuce à base de capteurs GMR pour le diagnostic biologique précoce à haute sensibilité
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Le développement de techniques de diagnostics biologiques précoces, à la fois rapides et sensibles, est un vrai défi dans des domaines aussi variés que la défense, l’environnement et la santé. Le laboratoire LNO du SPEC a développé une biopuce à base de capteurs magnétiques ultra sensibles à magnétorésistance géante (capteurs GMR), capable de détecter individuellement et de façon efficace des cibles biologiques marquées magnétiquement.

 

 

Les capteurs magnétiques à base d’électronique de spin à magnétorésistance géante (GMR) présentent l’avantage d’avoir une très grande sensibilité, de l’ordre de 50 à 200 pT/√Hz, d’être peu coûteux et de pouvoir être facilement intégrés. Ils sont notamment à l'origine de l'accroissement spectaculaire de la capacité des disques durs pour le stockage magnétique de l'information.

Il est aussi possible d'intégrer ce type de capteurs performants dans des dispositifs d'analyse sur puce, pour des applications en biologie. La détection magnétique d'objets marqués peut être réalisée au sein de n’importe quelle matrice complexe et sans étape de lavage des échantillons qui, en outre peuvent être en très faible quantité. Autre avantage, la biopuce magnétique permet l’étude de cibles biologiques de toute taille (cellules, bactéries etc..), alors que dans des tests de type bandelettes, les cellules et certaines bactéries de grande taille ne peuvent migrer et être détectées.

Pour détecter des objets biologiques, naturellement non magnétiques, il est nécessaire de les marquer préalablement avec des billes magnétiques fonctionnalisées avec des anticorps monoclonaux (produits par le partenaire SPI/LERI) ayant pour cible l'antigène biologique d’intérêt. Les objets biologiques ainsi labélisés circulent dans un canal microfluidique placé au-dessus d'un capteur GMR. Les billes sont initialement aimantées avec un aimant permanent et c'est leur champ dipolaire qui est ensuite détecté par le capteur GMR (figure 1). Un signal est donc obtenu à chaque passage d’un objet biologique magnétiquement marqué à proximité du capteur GMR.

Figure 1 : Biopuce à base de capteurs GMR. A : cellule marquée avec des billes magnétiques fonctionnalisées par un anticorps spécifique. B : photos à différentes échelles du prototype de la biopuce, du capteur GMR et du canal microfluidique. C : schéma de principe de la détection dynamique et du signal caractéristique attendu (V = f(t)) pour des billes immunocapturées par la cible biologique passant au-dessus du capteur. D : Signaux réels obtenus lors du passage de différents objets magnétiques (billes, cellules marqués, agrégats de billes) au-dessus du capteur GMR, qui peuvent dépasser le seuil de détection (+/- 0.2 V).
 

Une étude sur des cellules de myélome murin (travaux de thèse de Manon Giraud au SPEC/LNO) avec un premier prototype de biopuce a permis d’évaluer pour la première fois les performances du dispositif : sensibilité, spécificité, répétabilité, robustesse, rapidité et facilité d’utilisation ont été les critères retenus pour caractériser chaque test de diagnostic.

Les premiers tests montrent une sensibilité (ou limite de détection) de 3.1 cellules/mL, légèrement inférieure à celle de tests effectués en routine en laboratoire par cytométrie en flux. Si cette valeur semble ainsi correcte, de biens meilleures performances peuvent être attendues pour le procédé avec capteurs GMR, qui doit permettre a priori la détection d’un unique objet biologique isolé. La limite mesurée est due à la présence de nombreux signaux faux positifs, qui ne proviennent pas des cellules marquées, mais sont issus de billes individuelles surnuméraires non fixées aux objets que l'on souhaite détecter et d’éventuels agrégats de billes : un agrégat de billes ou une bille qui passe très près du capteur GMR peuvent donner un signal équivalent à celui d’un objet biologique marqué par plusieurs billes magnétiques mais passant à plus grande distance du capteur. On note en effet que le champ dipolaire vu par le capteur GMR est inversement proportionnel au cube de la distance z des objets magnétiques à celui-ci : Hdip=µ/z3. Dans une première tentative de réduire ces signaux parasites, une couche de séparation de quelques micromètres a été placée entre le capteur GMR et le canal microfluidique. Cette approche n’a cependant pas permis de supprimer l’ensemble des faux positifs.

Pour lever ce verrou et augmenter la sensibilité du dispositif, un nouveau prototype de biopuce a été développé (figure 2) et breveté, où deux capteurs GMRs couplés sont placés de part et d'autre du canal microfluidique. En corrélant les mesures des 2 capteurs, il est possible de définir l'instant de détection ainsi que la hauteur dans le canal et la vitesse des objets doublement détectés. L'ensemble de ces informations apporte les indicateurs nécessaires pour distinguer le signal issu des objets biologiques marqués de celui issu des billes surnuméraires ou des éventuels agrégats. Les seuls faux positifs restants ne proviennent plus que des agrégats comportant un nombre de particules magnétiques similaire à celui des cibles biologiques marquées recherchées.

 

Figure 2 : Schéma de principe et photo de la nouvelle biopuce à base de multiples capteurs GMR, situés de part et d’autre du canal microfluidique.

L’utilisation de billes avec une grande stabilité colloïdale, spécialement synthétisées pour ce projet par le laboratoire PHENIX (PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX, UMR 8234 CNRS – Université Sorbonne), devrait permettre d'obtenir une meilleure dispersion des billes, réduisant ainsi considérablement le nombre d’agrégats. Une bien meilleure sensibilité est ainsi attendue, nettement inférieure aux tests commerciaux de référence.

 

Contact CEA : Guénaëlle Jasmin-Lebras, Laboratoire Nanomagnétisme et Oxydes (SPEC/LNO)

Référence:
Evaluation of in-flow magnetoresistive chip cell-counter as a diagnostic tool
M. Giraud, F.D. Delapierre, A. Wijkhuisen, P. Bonville, M. Thévenin, G. Cannies, M. Plaisance, E. Paul, E. Ezan, S. Simon , C. Fermon , C. Féraudet-Tarisse and G. Jasmin-Lebras, Biosensors 2019, 9(3), 105

Collaboration:

 
#3175 - Màj : 05/12/2019

 

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