Introduction au projet

A) Pourquoi compter

Le comptage cellulaire est une étape essentielle en biologie. Cette méthode permet de communiquer des informations sur le fonctionnement des organismes vivants, qu’il s’agisse de croissance, de viabilité ou de réponse à un traitement. Le comptage cellulaire est une nécessité en microbiologie, en recherche sur le cancer, ou encore en immunologie. Les compteurs cellulaires permettent par exemple de mesurer la quantité de cellules cancéreuses avant et après un traitement de chimiothérapie, afin d’évaluer son efficacité sur le patient. Ils servent aussi à tester de nouveaux médicaments en laboratoire notamment en surveillant le comportement des cellules après la prise du médicament. Ces outils aident aussi à ajuster les doses pour limiter la toxicité sur les cellules saines et sur les différents organes. Les compteurs cellulaires contribuent alors à personnaliser les traitements selon le type de cellules dans un tissu ou organe cible

B) Comparaison des différentes méthodes de comptage actuelles

Actuellement, plusieurs méthodes de comptage existent. La cytométrie en flux, bien qu’extrêmement précise et rapide, reste inaccessible pour beaucoup en raison du coût élevé des cytomètres, de leur complexité technique et de la difficulté à les réparer en cas de panne.

 

Un cytomètre

À l’inverse, les méthodes manuelles comme l’hématimètre sont plus abordables mais manquent de fiabilité et sont longues à réaliser, surtout lorsqu’il s’agit de manipulations répétées ou de grandes quantités d’échantillons.

 

Un hématimètre

C’est pourquoi le développement d’un compteur cellulaire low-cost, simple d’utilisation et fiable apparaît aujourd’hui comme une nécessité pour démocratiser l’accès à la recherche et au diagnostic dans les milieux aux ressources limitées, tout en assurant des résultats de qualité.

C) L'article "Low-cost automated cell counting module fabricated using CNC milling and soft lithography"

Pour ce faire , nous avons décidé de réaliser ce compteur low cost en se basant sur l’article “ Low cost automated cell counting module fabricated using cnc milling and soft lithography “ réalisé par Takanobu Takenouchi, et al. de l’université de Tokyo d’agriculture et de technologie au Japon, publié dans HardwareX au Volume 20, en décembre 2024. L’intérêt de se concentrer sur cet article est d’obtenir un compteur cellulaire automatisé tout en restant dans un budget raisonnable (comparable à un compteur manuel) accessible à tous les organismes et petits laboratoires, tout en ayant une exigence sur la qualité et la précision de notre produit.

De plus, pour réaliser un tel dispositif, nous avons échangé avec nos responsables de l’Université Paris-Cité pour avoir accès aux pièces utilisées par les scientifiques japonais mais dont l’équivalent est trouvable sur le marché européen. Nous avons pu acheter toutes les pièces manquantes grâce au fournisseur de l’université, DigiKey.

D) Comment fonctionne la puce ?

Voici la puce faite par les chercheurs.

 

Le fonctionnement du compteur, tiré de l'article

Fluidique

Les fluides de gaine circulent dans les canaux de gauche et de droite, de haut en bas. Les cellules en suspension à une concentration comprise entre 0 et 500 cellules par µL passent individuellement dans le canal central, les unes à la suite des autres, aussi de haut en bas. Les fluides de gaine et les cellules ne se mélangent pas, les fluides glissent les uns sur les autres, ce qui stabilise les mesures et améliore la précision. En effet, la puce utilise la physique des fluides afin que le nombre de Reynolds soit inférieur à 1000.
Il est définit par :

 

C’est un nombre sans dimension qui indique le rapport entre les forces d’inertie sur les forces de viscosité, c’est-à-dire à quel point le fluide s’écoule bien. Il dépend alors du diamètre hydraulique, de la viscosité et de la vitesse du fluide. Dans notre puce, le canal fait 1 mm2, en supposant que la solution ait une densité de 1.0 ×103 kg/m3, une viscosité de 1.0 ×10-3 Pa⋅s et une vélocité de 0,5-2,0 mm/s, comme dans l’article, le nombre de Reynolds est bien inférieur à 1000 et la viscosité est plus importante que la vitesse du fluide : le flux est laminaire.

Optique 
Le laser rouge passe à travers la lentille cylindrique convergente et est concentré en une fine tranche au niveau du canal où passent les fluides, plus précisément au centre, là où passent les cellules. La lumière les frappe : une partie est réfléchie, une autre est absorbée par la cellule et une autre fraction est diffusée. Celle-ci est divisée en deux parties : la lumière diffusée vers l’avant (Forward Scattered Light) et celle diffusée latéralement (Side Scattered Light). La lumière diffusée vers l’avant est mesurée dans l’axe d’incidence du laser, elle est réfractée sur la surface cellulaire et indique sa taille. C’est surtout elle qui est utilisée dans le comptage de cellules. La lumière diffusée latéralement est mesurée dans un angle de 90 ° par rapport à l’incidence du laser, elle est réfractée dans la cellule et indique sa morphologie interne : noyau, taille des organites, quantités de vésicules...
La lumière diffusée par l’avant est détectée par la photodiode de la puce. Un masque cache son centre, ce qui permet de ne prendre en compte que la lumière diffusée vers l’avant.
La position de la lentille a été testée et modifiée par les chercheurs japonais, afin de trouver l’optimum. Nous n’avons pas eu l’occasion de reproduire ces tests. De plus, différents masques de lumière ont été réalisés, toujours dans des visées d’optimisation.

Électronique
La photodiode s’active et se désactive avec les photons du laser. Elle est inactive quand aucune cellule ne passe dans le canal et s’active lorsqu’elle est frappée par les photons de la lumière diffusée vers l’avant par les cellules. Ce signal est assez rapide (80 ns d’après la fiche technique du fournisseur) et est transmis à la carte Arduino. Les données sont filtrées pour enlever le bruit de fond et ne garder que ce qui est lié au passage des cellules devant le laser. Les pics d’amplitude sont calculés, ainsi que le volume du liquide, ce qui permet, en faisant le rapport, d’obtenir la concentration cellulaire dans l’échantillon.