Professor Thomas Gervais da Politécnica de Montreal e seus alunos Pierre-Alexandre Goyette e Étienne Boulais, em parceria com a equipe liderada pelo Professor David Juncker, da Universidade McGill, desenvolveram um novo processo microfluídico que visa automatizar a detecção de proteínas por anticorpos. Este trabalho, publicado em Nature Communications , aponta para a chegada de novos instrumentos portáteis para acelerar o processo de triagem e análise de moléculas em laboratórios biológicos para acelerar a pesquisa em biologia do câncer.

De microfluídica convencional a microfluídica de espaço aberto

Microfluídica refere-se à manipulação de fluidos em dispositivos em microescala. Normalmente chamado de "laboratórios em um chip, "Os sistemas microfluídicos são usados ​​para estudar e analisar amostras químicas ou biológicas em pequena escala, substituindo os instrumentos extremamente caros e pesados ​​usados ​​para análises biológicas tradicionais. Listado em 2001 entre as "10 tecnologias emergentes que mudarão o mundo" pelo MIT Technology Review, a microfluídica é considerada tão revolucionária para a biologia e a química quanto os microprocessadores foram para a eletrônica e TI, e isso se aplica a um grande mercado.

Hoje, esta jovem disciplina, que começou a decolar na década de 2000 com sistemas fechados constituídos por redes de microcanais, está sendo radicalmente transformada pela descoberta feita pelo grupo de pesquisadores da Polytechnique e da McGill University, que reforça os fundamentos teóricos e experimentais da microfluídica em espaço aberto.

Esta tecnologia, que elimina canais, compete favoravelmente com a microfluídica convencional para certos tipos de análises. De fato, a configuração clássica de dispositivos microfluídicos de canal fechado oferece várias desvantagens:a escala das seções transversais do canal aumenta o estresse que as células sofrem quando estão em cultura, e eles não são compatíveis com o padrão de cultura de células, a placa de Petri, o que torna difícil para a indústria adotá-lo.

A nova abordagem explorada pelos pesquisadores da Polytechnique e da McGill University é baseada em multipoles microfluídicas (MFMs), um sistema de sucção e aspiração simultâneas de fluido por meio de microaberturas opostas em uma superfície muito pequena colocada em um espaço confinado com menos de 0,1 mm de espessura. "Quando eles entram em contato um com o outro, esses jatos de padrões de forma fluida que podem ser vistos tingindo-os com reagentes químicos, "diz o professor Gervais." Queríamos entender esses padrões enquanto desenvolvíamos um método confiável para modelar MFMs. "

Simetria visual elegante que lembra o trabalho do artista M. C. Escher

Para entender esses padrões, A equipe do professor Gervais teve que desenvolver um novo modelo matemático para fluxos multipolares abertos. Este modelo é baseado em um ramo clássico da matemática conhecido como mapeamento conformal, que resolve um problema relacionado a uma geometria complexa reduzindo-a a uma geometria mais simples (e vice-versa).

Ph.D. o estudante Étienne Boulais desenvolveu pela primeira vez um modelo para estudar colisões de microjet em um dipolo multifluídico (um MFM com apenas duas aberturas), e então, contando com esta teoria matemática, extrapolou o modelo para MFMs com aberturas múltiplas. “Podemos fazer uma analogia com um jogo de xadrez em que existe uma versão com quatro jogadores, então seis ou oito, aplicando uma deformação espacial enquanto mantém as mesmas regras do jogo, " ele explica.

"Quando submetido ao mapeamento conforme, os padrões criados por colisões de jatos fluidos formam imagens simétricas que lembram as pinturas do artista holandês M.C. Escher, "acrescenta o jovem pesquisador, que tem paixão por artes visuais. "Mas, muito além de seu apelo estético, nosso modelo nos permite descrever a velocidade com que as moléculas se movem através dos fluidos, bem como sua concentração. Definimos regras válidas para todas as configurações de sistemas possíveis de até 12 pólos, a fim de gerar uma ampla variedade de padrões de fluxo e difusão. "

O método é, portanto, uma caixa de ferramentas completa que não só permitirá modelar e explicar os fenômenos que ocorrem nos MFMs, mas também explorar novas configurações. Graças a este método, agora é possível automatizar testes microfluídicos em espaço aberto, que até agora só foram explorados por tentativa e erro.

Fabricação do dispositivo usando impressão 3-D

O projeto e a fabricação do dispositivo MFM foram realizados por Pierre-Alexandre Goyette. Este dispositivo é uma pequena sonda feita de resina usando um processo de impressão 3-D de baixo custo e conectada a um sistema de bombas e injetores.

"A experiência da equipe do Professor Juncker na detecção de proteínas por anticorpos imobilizados em uma superfície foi inestimável no gerenciamento dos aspectos biológicos deste projeto, "diz o aluno de doutorado em engenharia biomédica." Os resultados obtidos com os ensaios validaram a precisão dos modelos desenvolvidos pelo meu colega Étienne. "

O dispositivo permite o uso simultâneo de vários reagentes para detectar várias moléculas na mesma amostra, o que economiza um tempo valioso dos biólogos. Para certos tipos de testes, o tempo de análise pode ser reduzido de vários dias para algumas horas, ou mesmo em questão de minutos. Além disso, a versatilidade desta tecnologia deve torná-la utilizável para vários processos analíticos, incluindo testes imunológicos e de DNA.

Em direção a um display microfluídico?

A equipe do professor Gervais já estuda uma próxima etapa de seu projeto:o desenvolvimento de uma tela com uma imagem química.

"Seria uma espécie de equivalente químico da tela de cristal líquido, "O professor Gervais explica." Da mesma forma que movemos os elétrons em uma tela, enviaríamos jatos de fluido em várias concentrações que reagiriam com a superfície. Juntos, eles formariam uma imagem. Estamos muito animados para seguir em frente com este projeto, para o qual obtivemos uma patente provisória. "

Reinvenção de procedimentos diagnósticos e acompanhamento de tratamento médico

Por enquanto, a tecnologia desenvolvida por esta equipe de pesquisa é voltada para o mercado de pesquisa fundamental. "Nossos processos tornam possível expor células a muitos reagentes simultaneamente, "Diz o professor Gervais." Eles podem ajudar os biólogos a estudar as interações entre proteínas e reagentes em grande escala, aumentando a quantidade e qualidade das informações obtidas durante os ensaios. "

Ele explica que posteriormente, o mercado farmacêutico também poderá se beneficiar de novos métodos de automação de sistemas de triagem resultantes da descoberta. Por último, ele abre um novo caminho para a descoberta de drogas, facilitando a cultura de células do paciente e a exposição a vários agentes de drogas para determinar a quais eles respondem melhor.