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Des micro-machines contre le cancer

Des micro-machines contre le cancer

13.01.2015, par
Interface neuronale d’un biomems (grossissement x 61).
Faire progresser la recherche médicale grâce à la microtechnologie, ce n’est plus de la science-fiction. Contre le cancer, d’invisibles dispositifs électromécaniques permettront bientôt de dépister plus tôt la maladie et de mieux la combattre.

Ils sont partout. Trop petits pour qu’on les remarque, mais assez utiles pour qu’on ne puisse plus s’en passer. Les mems (Micro Electro Mechanical Systems), de minuscules automates, ont envahi notre quotidien. De quelques centaines de micromètres (0,1 mm) pour les plus gros, à une centaine de nano (0,0001 mm) pour les plus petits, ces microsystèmes électromécaniques peu coûteux et très précis se cachent dans nos voitures, nos téléphones portables, nos manettes de jeu vidéo ou encore nos imprimantes. Développés depuis les années 1970, les mems effectuent des tâches aussi diverses que mesurer l’accélération d’une voiture et déclencher le système d’airbag, faire office de microphone sur les téléphones portables ou mesurer la pression exercée sur les écrans tactiles…

Objectif : détecter de façon précoce le cancer du pancréas

Que des automates miniatures soient insérés à l’intérieur d’objets électroniques, jusque-là rien de surprenant. Mais, dans son laboratoire, Liviu Nicu et ses collègues fabriquent, eux, des biomems, une catégorie utilisée dans le monde de la santé. En partenariat avec l’oncopole de Toulouse, les électromécaniciens du LAAS1 ont un défi : réaliser des mems capables de détecter de façon précoce le cancer du pancréas dont le diagnostic est souvent posé tardivement, lorsque des métastases sont déjà présentes. « Avant que le cancer ne s’étende, des fragments particuliers d’ARN (NDLR : porteur d’informations génétiques comme l’ADN) circulent dans le sang. Ce sont des marqueurs des cellules cancéreuses », explique le directeur de recherche. Aujourd’hui, notre technologie est incapable de les détecter, car leur concentration est trop faible pour être mesurée. « Grâce à leur taille, les biomems sont beaucoup plus sensibles et décèlent très facilement les agents pathogènes ou leurs marqueurs contrairement aux automates, les mêmes depuis les années 1950, qui analysent nos prises de sang », affirme Liviu Nicu.

Galette de silicium
Dispositifs microfluidiques fabriqués sur une galette de silicium.
Galette de silicium
Dispositifs microfluidiques fabriqués sur une galette de silicium.

Les chercheurs travaillent dans une salle blanche, c’est-à-dire vidée au maximum des particules en suspension contenues dans l’air. Les grains de poussière, de quelques centaines de micromètres, sont plus gros que certains mems ! Les chercheurs doivent absolument éviter qu’ils ne viennent perturber la fabrication de leurs systèmes miniatures. Ils portent d’ailleurs eux-mêmes une combinaison qui les recouvre de la tête aux pieds. Les opérations effectuées pour fabriquer un mems sont assez similaires à la production des circuits intégrés que l’on retrouve, entre autres, sur nos cartes de crédits.

Des réactions chimiques ultraprécises

Impossible de travailler à la main à cette échelle, ce sont majoritairement des réactions chimiques qui permettent, couche après couche, de graver les circuits en cuivre ou même en or sur une plaque de silicium et de sculpter dans cette matière puce, aimant, aiguille et autres composants électromécanique. Les chercheurs peuvent contrôler l’avancée des travaux grâce à un microscope électronique à balayage qui procure une image en relief. Sur l’écran relié au microscope se dessine une sculpture en 3D, des routes s’entrecroisent et rejoignent des composants qui ressemblent presque à des bâtiments.

 

Microscopie à balayage optique
Cliché au microscope électronique à balayage des canaux microfluidiques d’un MEMS (grossissement x 65).
Microscopie à balayage optique
Cliché au microscope électronique à balayage des canaux microfluidiques d’un MEMS (grossissement x 65).

 

Grâce à leur
taille, les biomems décèlent très facilement
les agents pathogènes.

Pour remplir leur mission, les biomems du LAAS ont une particularité, ils sont recouverts d’anticorps, les mêmes que ceux qui, dans notre corps, peuvent reconnaître et s’accrocher aux bactéries, virus, toxines et autres agents pathogènes pour aider à les éliminer. Les chercheurs sélectionnent des anticorps réactifs aux fragments ARN marqueurs du cancer du pancréas et les fixent aux biomems via des réactions chimiques. Cela leur permet d’évaluer très précisément la concentration d’ARN et de la communiquer par ondes radio aux médecins qui devraient ainsi pouvoir diagnostiquer le développement du cancer. Les biomems pourraient aussi être utilisés pour d’autres pathologies comme le cancer du sein, le diabète de type 1 ou encore la maladie d’Alzheimer.

Simplifier les analyses médicales

Pas question pour l’instant d’envoyer les biomems directement dans le corps humain, toutes les expériences se font in vitro. Les biomems sont placés dans une boîte de quelques millimètres cubes dans laquelle on verse le sérum (sang privé de ses globules rouge) du patient. « L’avantage de cette pratique, c’est qu’elle est quasiment instantanée et que, si elle est systématisée, elle serait peu coûteuse, estime Liviu Nicu. Nous espérons que des applications issues de nos recherches permettront à chaque médecin de pouvoir procéder à ces examens directement dans son cabinet. Elles pourraient aussi rendre plus confortables les séjours hospitaliers durant lesquels certains patients doivent effectuer chaque jour des batteries de tests. »  

Une technologie en pleine expansion

Les biomems qui ont connu un boom dans les années 1990 ne se limitent pas à diagnostiquer des patients. À l’IEMN2 de Lille, Vincent Senez et son équipe reproduisent grâce aux mems l’environnement en 3D du cerveau afin d’y étudier les cellules cancéreuses. Les mems sont ici utilisés pour reproduire artificiellement les axones des neurones qui forment un entrelacs de filaments qui gênent le déplacement des cellules non nerveuses dans le cerveau. « Pour une raison que nous ignorons, nos modèles prédisent que les cellules cancéreuses se déplacent plus rapidement que les cellules saines, mais étudier ce phénomène directement chez le patient est impossible, d’où l’intérêt de reconstituer artificiellement le cerveau », explique-t-il. Les mems permettent de moduler l’élasticité des filaments ou d’introduire certaines molécules dans le milieu artificiel pour évaluer les effets sur les cellules. « Le but est de trouver comment ralentir la migration des cellules cancéreuses », indique le directeur de recherche.
 

À terme, des
tests préalables
sur l’ADN de chaque patient permettront
de personnaliser leur traitement.

Suivre les effets des traitements anticancéreux et les personnaliser pour chaque patient, c’est aussi une voie empruntée par la recherche sur les biomems. Au Japon, les chercheurs du Limms3 ont développé des mems munis de pinces capables de tester en temps réel la solidité des brins d’ADN durant la radiothérapie. « À terme, des tests préalables sur l’ADN de chaque patient permettront de personnaliser leur traitement », explique Dominique Collard, directeur de ce laboratoire. Le Limms, précurseur dans la recherche fondamentale sur les mems, développe par ailleurs de nombreux autres axes recherche.

Aucun doute, pour Dominique Collard, « la technologie des biomems, complémentaire des recherches en biologie, a de vrais potentiels pour une détection plus précoce de la maladie et des traitements personnalisés ». Et, dans deux ans, ce sont les premières recherches cliniques en lien avec les patients qui pourront débuter. Non pas au Japon mais, au centre hospitalier universitaire de Lille. Un accord4 a été signé en juin pour y transférer les technologies biomems du Limms développées au sein l’université de Tokyo.

Notes
  • 1. Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes du CNRS.
  • 2. Institut d’électronique de microélectronique et de nanotechnologie (CNRS/Univ. Lille-I/Univ. de Valenciennes/Isen Lille).
  • 3. Laboratory for Integrated Micro Mechatronic Systems, unité mixte internationale du CNRS au Japon.
  • 4. Projet SMMIL-E : www.cnrs.fr/lettre-innovation/actus.php?numero=157
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Auteur

Taïna Cluzeau

Journaliste scientifique, Taïna Cluzeau écrit pour les magazines Ça m’intéresse et Science et Vie junior. Ses thèmes de prédilection sont l’astronomie, le développement durable et la sociologie.

 

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