Des chercheurs de l'Université de Tel-Aviv sous la direction du Prof. Gilad Yossifon de l'École d’ingénierie mécanique et du Département de génie biomédical de l'Université de Tel-Aviv ont développé un micro-robot à la fois électrique et magnétique de la taille d'une cellule humaine (environ 10 microns) capable de s’orienter dans un environnement biologique, d’identifier différents types de cellules et leur état de santé, et de les véhiculer vers l’endroit voulu pour la suite du diagnostic ou du traitement. Selon les chercheurs, cette technologie innovante peut contribuer à la recherche dans le domaine du séquençage de cellule unique, du diagnostic médical, de l’administration de médicaments, de la chirurgie et même de la protection de l'environnement.
L’étude, réalisée avec la participation du Dr. Yue Wu, postdoctorant à l'Université de Tel-Aviv, ainsi que de l'étudiante Sivan Yacov et du Dr. Afu Fu, postdoctorant au Technion, a été publiée dans la revue Advanced Science.
Inspirés par les mouvements des "micro-nageurs biologiques"
Les micro-robots sont de minuscules particules synthétiques de la taille d'une cellule biologique, qui peuvent se déplacer d'un endroit à l'autre et effectuer diverses actions, par exemple collecter des « cargaisons » synthétiques ou biologiques, de manière autonome selon une planification préalable, ou en étant télé-commandés de l’extérieur par un opérateur ou un système de contrôle. Le Prof. Gilad Yossifon explique que la capacité de déplacement autonome des micro-robots (parfois appelés micro-moteurs ou particules actives) a été conçue en s'inspirant des mouvements des « micro-nageurs » biologiques, comme les bactéries et les spermatozoïdes. Il s'agit d'un domaine innovant qui se développe rapidement, et possède une grande variété d'applications dans des domaines comme la médecine et l'environnement, mais aussi comme outil de recherche.
Dans le cadre de cette étude, les chercheurs ont utilisé un microrobot pour capturer une cellule sanguine, une cellule cancéreuse ou encore une bactérie, et ont montré que celui-ci est capable de distinguer des cellules présentant différents niveaux de santé: cellule saine, cellule endommagée par un médicament, cellule morte ou en train de mourir au cours d’un processus de «suicide» naturel (apoptose). Une telle distinction peut être significative, par exemple, pour le développement de médicaments anticancéreux.
De plus, après avoir identifié la cellule souhaitée, le micro-robot est également capable de la capturer et de la prendre en charge pour la suite du traitement et du diagnostic des dommages qui lui ont été causés. Autre innovation importante de cette technologie : le micro-robot sait identifier le type de cellule et son état à l'aide d'un mécanisme de détection intégré basé sur les propriétés électriques spécifiques de la cellule, sans avoir besoin d’un marquage préalable de la cellule cible.
Vers des micro-robots fonctionnant à l'intérieur du corps humain
« Notre nouveau micro-robot ajoute un élément important à cette technologie, à deux niveaux », explique le Prof. Yossifon. « : une propulsion et une capacité d’orientation hybrides au moyen de deux mécanismes différents, électrique et magnétique, ainsi qu'une capacité améliorée pour identifier et capturer une cellule isolée sans avoir besoin d’un marquage préalable, pour l’analyser sur place ou bien la récupérer et la transporter vers un instrument extérieur. Cette étude a été menée sur des échantillons biologiques en laboratoire, mais notre l'intention à l'avenir est de développer des micro-robots qui fonctionneront également à l'intérieur du corps, par exemple comme véhicules efficaces pour des medicaments, les guidant avec précision vers leur cible ».
Les chercheurs expliquent que le mécanisme de propulsion hybride du microrobot revêt une importance particulière dans les environnements physiologiques, comme par exemple une biopsie liquide. « Les micro-robots qui fonctionnaient jusqu'à présent selon un mécanisme électrique n'étaient pas efficaces dans certains environnements caractérisés par une conductivité électrique relativement élevée, comme par exemple dans un environnement biologique où la propulsion électrique est moins efficace. C'est là qu’un mécanisme magnétique complémentaire, très efficace quelle que soit la conductivité électrique, peut entrer en jeu ».
Le Prof. Yossifon conclut : « Dans notre étude, nous avons développé un micro-robot innovant, doté de capacités importantes qui apportent un élément significatif dans ce domaine : une propulsion et une orientation hybrides au moyen d’une combinaison de champs électriques et magnétiques, ainsi que la capacité d'identifier, de capturer et de transporter une cellule isolée d'un endroit à l'autre dans un environnement physiologique. Ces capacités ont une grande importance pour un grand nombre d’applications ainsi que pour la recherche. La technologie pourra apporter sa contribution entre autres dans les domaines suivants : le diagnostic médical au niveau cellulaire, l’introduction de médicaments ou de gènes dans les cellules, l’édition génétique, le transport de médicaments vers leur destination à l'intérieur du corps, le nettoyage des particules polluantes de l'environnement, le développement de médicaments et la technologie de « laboratoire sur particule » qui a pour but d’effectuer des diagnostics dans des endroits accessibles uniquement aux micro-particules ».
Photos:
1. Le Prof. Yossifon (4e à partir de la gauche) et son équipe.
2. Illustration en couverture du magazine Advanced Science.
(Crédit: Université de Tel-Aviv)
