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Concevoir le détecteur de pathogènes le plus rapide au monde

Publié le 03 janvier 2017 par Patrick RENARD
Source : Elvesys

Start-up française réputée pour son système de détection de pathogènes ultra-rapide, Elvesys a été amenée à développer un lecteur de fluorescence personnalisé. Pour pouvoir le réaliser de manière rapide et économique, elle a choisi de faire appel aux solutions d’acquisition de données de National Instruments.

Fondée en 2011, l’entreprise française Elvesys a déjà été récompensée par de nombreux prix, dont celui, en 2014, du Concours Mondial de l’Innovation. En s’appuyant sur sa gamme d’instruments microfluidiques Elveflow et ses compétences fondamentales, elle a mis au point la plate-forme FastGene, une technologie révolutionnaire qui permet de détecter n’importe quel agent pathogène en moins de 10 minutes dans une goutte de sang. Avec le système développé par Elvesys, il est notamment possible de détecter le virus Ebola en six minutes et le bacille de l'anthrax en sept minutes, soit respectivement 7 et 14 fois plus rapidement qu’avec les meilleures technologies actuelles. Et dans ce domaine, chaque minute vaut de l’or. Il s'agit en effet d'accélérer la prise en charge des patients, de prévenir la propagation des infections, et par conséquent de limiter les risques de flambées épidémiques.

Puce 755Fastgene est ce qu’on appelle un "laboratoire sur puce" (lab-on-chip) microfluidique. Issue de la microélectronique, la microfluidique permet en effet miniaturiser la quasi-totalité des opérations de diagnostic in vitro sur une simple "puce". Au final, les processus de détection sont plus rapides et plus fiables. Dans le cas de Fastgene, il s'agit de mettre en œuvre une méthode de PCR (réaction en chaîne par polymérase) quantitative qui consiste à amplifier une portion spécifique d’ADN afin d’augmenter le nombre de fragments présents dans l’échantillon (goutte de sang ou de salive). A chaque cycle d’amplification, la quantité d’ADN totale est mesurée par le biais d'un marqueur fluorescent dans chaque fragment dupliqué. L’obtention de la cinématique complète de cette amplification permet d'aboutir à une quantification absolue de la quantité d’ADN initialement présente dans l’échantillon.

Une détection de fluorescence rapide et précise

L'efficacité de cette plate-forme microfluidique tient principalement à trois composantes : son système de gestion d'échantillons microfluidiques, son système de mesure et de détection de fluorescence, et son interface logicielle pour contrôler l'ensemble du processus.

Le système de détection de fluorescence doit être impérativement capable de suivre le rythme élevé de l'amplification d'ADN, sans compromettre l'exactitude des résultats. Pour cela, il était nécessaire que le système d'acquisition du signal fluorescent soit suffisamment rapide et précis pour ne pas devenir l'élément limitant de la chaîne.

Une des difficultés de ce projet a donc été de concevoir un système de lecture optique à la hauteur des performances du laboratoire sur puce, avec une vitesse d’acquisition ainsi qu’une résolution bien supérieures à celles de la microscopie de fluorescence classique. La solution retenue a été de développer en interne un lecteur de fluorescence personnalisé (d'ailleurs commercialisé individuellement dans la gamme Elveflow) en s’appuyant sur une carte d'acquisition de données multifonction NI USB-6003. L'entreprise a opté pour ce matériel de National Instruments (NI) dès le début du projet pour des raisons financières, sachant que la politique de NI a permis de conserver cette carte dans le produit final commercialisé : un avantage considérable pour réduire les coûts de développement.

Illustration 2Le lecteur de fluorescence est constitué d’une fibre optique qui permet de réaliser l’excitation et la détection à différentes longueurs d’ondes en un point précis de la puce microfluidique. Cette détection optique doit être particulièrement fine pour identifier les faibles variations du niveau de fluorescence sur un signal de fond élevé. Ceci est rendu possible grâce à la résolution 16 bits de la carte NI USB-6003 et à son faible niveau de bruit. Il est également nécessaire de contrôler l’excitation et la détection de la fluorescence simultanément avec une résolution temporelle très élevée. La vitesse d’acquisition élevée (100 kHz) de la carte d'acquisition a donc été un autre paramètre-clé dans le choix de ce modèle. Enfin, le matériel NI USB-6003 intègre plusieurs entrées et sorties numériques et analogiques sur la même carte, ce qui a simplifié la conception de l’électronique de l'appareil et permet de contrôler l’ensemble de ses fonctionnalités avec une seule interface.

Le module de lecture de fluorescence, de même que l'intégralité de la plate-forme de dépistage, est contrôlé par une interface mise au point avec le logiciel LabVIEW de NI, qui permet de contrôler de manière synchrone l'intégralité des sous-éléments du laboratoire sur puce et d'atteindre la vitesse de détection maximale. L'utilisateur peut notamment contrôler l’illumination et la sensibilité de détection de l’appareil, ainsi qu’un certain nombre d’autres paramètres de configuration comme la longueur d’onde de fluorescence. Des fonctions d’analyse du signal ont également été développées pour optimiser la précision de la mesure ou compter des événements à une fréquence élevée.

Malgré les difficultés posées par l'automatisation des fonctionnalités complexes du lecteur de fluorescence, de détection génomique et d'analyse de données, Elvesys a pu développer une interface logicielle simplifiant au maximum l'utilisation du système sur le terrain.

Un prototype développé en moins de deux ans

Le développement d’un premier prototype de la plate-forme, incluant le système de mesure optique, mais aussi la puce microfluidique et tous les autres composants (contrôle de flux, de température…) a pu être réalisé en moins de deux ans. Pour ce faire, il était essentiel de disposer de matériel d'acquisition personnalisable et programmable dans un environnement de développement haut niveau comme LabVIEW.

La rapidité de développement et les performances de cette plate-forme ont attiré l’attention de la Direction Générale de l’Armement qui a confié à la start-up le développement d’un prototype permettant une utilisation opérationnelle par des troupes françaises. Ceci dit, l'application principale de cette plate-forme reste le diagnostic rapide et économique des patients en consultation médicale.

Le cœur de l'activité d'Elvesys consiste à développer et à commercialiser des instruments scientifiques dans le domaine de la microfluidique. En s'appuyant systématiquement sur les solutions de NI, l'entreprise peut aujourd'hui se targuer d'être parvenue à développer l'offre la plus large dans ce domaine en moins de cinq ans d'existence, sans aucune levée de de fond.


www.ni.com/fr

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