Histoires de réussite

Penser en dehors de la puce : La boîte de Pétri intelligente d’un chercheur relève le défi des biocapteurs

Ghazal Nabovati (au centre-droite), doctorante du Laboratoire de neurotechnologie Polystim de Polytechnique Montréal a réussi à intégrer la biologie, la conception de puce, l’électronique, des logiciels et un prototype mécanique pour mettre au point une nouvelle plateforme d’imagerie cellulaire qui simplifie, accélère et automatise l’analyse des cellules.

Le Laboratoire de neurotechnologie Polystim de Polytechnique Montréal en collaboration avec le Laboratoire BioSA de l’École de génie Lassonde à l’Université York, aide en effet Ghazal Nabovati à mettre au point une technologie primée tout en lui permettant d’acquérir d’inestimables compétences multidisciplinaires en R et D.

La candidate au doctorat en génie électrique a créé une boîte de Pétri « intelligente » destinée à redéfinir l’analyse cellulaire. Sa plateforme d’imagerie cellulaire entièrement intégrée remplace les biotests chimiques classiques par un biocapteur électronique réutilisable qui donne des images en temps réel des cultures cellulaires en pleine croissance et qui transmet de l’information sur leur viabilité et leur prolifération.

Ghazal a vu la valeur de sa formation expérientielle reconnue l’année dernière au moment où elle a reçu le prix Brian L. Barge pour l’excellence en intégration de microsystèmes lors d’Innovation 360 TEXPO 2015. En citant « l’irrésistible potentiel économique et les importants avantages sociaux » de ses travaux, les juges ont fait l’éloge de Ghazal qui a su faire appel à de multiples microsystèmes et domaines en intégrant la biologie, la conception de puce, l’électronique, un logiciel et un prototype mécanique dans un système d’analyse et d’imagerie tout à fait fonctionnel.

Le dispositif est né de ses travaux avec ses superviseurs, le professeur Mohamad Sawan, titulaire d’une chaire de recherche du Canada sur les dispositifs médicaux intelligents, directeur du Laboratoire Polystim et prolifique novateur dont les travaux intègrent le génie électrique, la psychologie, les sciences neurologiques, la biologie et la physiologie; ainsi que M. Ebrahim Ghafar, PhD, directeur du Laboratoire de capteurs et actionneurs inspirés de la biologie (BioSA), et professeur adjoint au département de génie électrique et informatique à l’Université York.

« Les technologies actuelles sont encombrantes, exigant le recours à un microscope et beaucoup de temps de préparation des échantillons, souligne Mme Nabovati. Elles exigent une main-d’oeuvre abondante et consomment beaucoup de ressources. Mon idée visait à créer un dispositif entièrement automatisé qui ne requiert aucune préparation d’échantillon ni procédure d’étiquetage. Il suffit de recueillir les cellules d’un échantillon et de les placer dans le dispositif pour voir instantanément les résultats. Il n’est pas nécessaire d’attendre. »

Un capteur capacitif CMOS capable de déceler les faibles charges entourant la membrane cellulaire est au coeur de la technologie. Il convertit cette charge en un signal électronique interprétable qui est recueilli et transmis par la puce.

Relevant d’un concept simple et élégant, ce biocapteur n’en recelait pas moins d’importants écueils. « La conception et la fabrication des diverses composantes n’étaient rien comparées au travail nécessaire pour les faire fonctionner de concert et créer un ensemble biocompatible, non toxique pour les cellules », affirme Ghazal.

« Tout est dans l’intégration, qui en fait représente la phase la plus délicate. Il ne suffit pas de fabriquer une puce qui fonctionne, mais plutôt d’intégrer la puce à l’environnement biologique… ça c’est un casse-tête! C’est la raison pour laquelle il n’existe pas de dispositif commercial qui soit vraiment efficace dans ce domaine. »

Il a fallu près de sept mois à son groupe pour résoudre le problème consistant à protéger les cellules de la puce et à protéger la puce des cellules. « C’est ce qui représentait le plus important défi. »

Une bonne partie du travail de la chercheuse a consisté à prouver que le biocapteur fonctionnait. Il lui a en effet fallu trouver un moyen de fabriquer les biocapteurs, puis de les valider par expérimentation. « CMC m’a beaucoup aidée, précise Nabovati. Ils m’ont donné accès à des outils logiciels comme Cadence et COMSOL et ont facilité la fabrication de la puce par le biais de TSMC de Taïwan. » CMC s’est occupé du processus de fabrication et une partie de l’équipement a été fourni dans le cadre du projet emSYSCAN (systèmes intégrés Canada), également géré par CMC.

Ghazal crédite aussi ses collègues qui lui ont apporté leur aide. « Laurent Mouden m’a offert un important soutien technique et Antoine Létourneau a mis au point un système d’acquisition de données en temps réel en plus de collaborer aux expériences biologiques. »

Il reste encore beaucoup de travail à faire; les prochaines étapes comprennent en fait la mise en place de microchambres sur la puce pour offrir de multiples environnements de culture sur la même puce.

« Ces microchambres installées sur le dessus des capteurs nous permettent de procéder à des mesures à grand débit, notamment pour la supervision de la cytotoxicité des médicaments contre le cancer », affirme-t-elle.

Nous avons acquis des leçons d’une grande valeur, dont la portée est considérable, lors de la mise au point du biocapteur. « J’ai acquis beaucoup d’expérience, notamment dans le domaine de la conception de circuits microélectroniques. Je n’avais d’ailleurs encore jamais eu la chance de concevoir des éléments à fabriquer, de sorte que cela m’a permis de me frotter aux divers aspects de la fabrication, aux problèmes de disposition et de mise en place. Et c’est sans parler du côté biologique, que je ne connaissais pas du tout… j’y ai là encore appris beaucoup sur la culture et la manipulation cellulaires. » Comme elle s’attend à terminer bientôt ses études de doctorat, elle espère pouvoir mettre ses compétences au service de l’industrie.

Crédit photo : Yves Clement/Photo Features

juillet 2016

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