Des vortex acoustiques pour manipuler des cellules

Pouvoir manipuler une par une des cellules biologiques ouvre la voie à de multiples applications : l'analyse d'une cellule unique et de sa réponse à des sollicitations mécaniques, l'étude des interactions intercellulaires, l'ingénierie tissulaire... Pour ce type d’applications, les possibilités offertes par les pinces optiques, qui piègent des particules de taille micrométrique au centre d’un faisceau électromagnétique focalisé, restent limitées : l'intensité lumineuse nécessaire pour piéger des cellules et des effets photochimiques peuvent induire des dommages sur les cellules biologiques. C'est pourquoi des chercheurs et des chercheuses de l’Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/Université de Lille/Université Polytechnique Hauts de France/Centrale Lille) et de l’Institut des nanosciences de Paris (INSP, CNRS/Sorbonne Université) se sont tournés vers une autre solution, qui consiste à utiliser un phénomène analogue, mais produit cette fois par des ondes acoustiques.

En effet, à puissance égale, une onde acoustique exercera une force beaucoup plus importante qu'une onde lumineuse. Cela tient au fait que la force (pression de radiation), en acoustique comme en optique, est proportionnelle à l'intensité de l'onde divisée par sa vitesse. La vitesse d'une onde électromagnétique (environ 3x10⁸ m/s) étant bien plus élevée que celle d'une onde acoustique (environ 1500 m/s dans un liquide), cette dernière exercera une force identique avec une puissance bien plus faible. De plus, les ondes acoustiques, utilisées par exemple en échographie médicale, n'ont pas d'effet nocif intrinsèque sur les tissus, en dessous de seuils mécaniques et thermiques relativement élevés.

Toutefois, pour développer une pince acoustique, plusieurs problèmes devaient être résolus. Il fallait d'abord assurer la sélectivité spatiale de la pince, c’est-à-dire sa capacité à déplacer une cellule unique parmi d'autres. Pour ce faire, il est nécessaire de localiser spatialement l’énergie de l’onde. Mais contrairement aux pinces optiques, ce problème ne peut être résolu avec une simple onde focalisée : en effet la plupart des cellules sont éjectées du point focal, au lieu d'y être piégée. Les chercheurs ont donc utilisé une structure d'onde particulière, appelée vortex focalisé, qui permet de piéger une cellule au centre du faisceau. Il restait à concevoir un dispositif capable de produire ce vortex, et sous une forme suffisamment miniaturisée pour être intégrée dans un microscope.

En utilisant une technique standard de fabrication des semi-conducteurs, la lithographie, deux électrodes métalliques en forme de spirales ont été déposées sur un substrat piézoélectrique dans les salles blanches de l’IEMN du réseau RENATECH . Envoyer un signal électrique sinusoïdal sur ces électrodes permet alors de synthétiser le vortex acoustique. L'ensemble tient sur une puce de 3 mm de diamètre. Intégré dans un microscope standard, le dispositif a effectivement permis de déplacer avec précision des cellules, une par une, et sans les détériorer.

Les scientifiques ont montré que leur pince acoustique produisait une force dix fois plus élevée qu'une pince optique, en utilisant une puissance dix fois moindre. L'équipe travaille à accroître encore ces performances, ce qui ouvrirait la voie à de nouvelles recherches de pointe en biologie, par exemple sur l’adhérence cellulaire. Par ailleurs, ils projettent de mettre au point, sur le même principe, une pince acoustique pour des manipulations en 3D. À plus long terme, un "modulateur spatial à ultrasons" (sur le modèle du modulateur spatial de lumière, en optique) serait même capable de déplacer en même temps, et toujours de manière individuelle, des dizaines de cellules. Un ensemble de techniques innovantes qui pourraient faciliter le développement de l'impression 3D de tissus biologiques.

Références :

Spatially selective manipulation of cells with single-beam acoustical tweezers
M. Baudoin, J.-L. Thomas, R.A. Sahely, J.-C. Gerbedoen, Z.Gong, A. Sivery, O. Bou Matar, N. Smagin, P. Favreau & A. Vlandas,
Nature Communications, 11, 4244 (2020)
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-18000-y

Acoustic Tweezers for particles and fluid micromanipulation
M. Baudoin, J.-L. Thomas,
Annual Review of Fluid Mechanics, 52: 205-234 (2020)
DOI: https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-010719-060154
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Folding a focalized acoustical vortex on a flat holographic transducer: miniaturized selective acoustical tweezer
M. Baudoin, J.-C. Gerbedoen, A. Riaud, O. Bou Matar, N. Smagin, J.-L. Thomas
Science Advances 5: eaav1967 (2019)
DOI: 10.1126/sciadv.aav1967