Modelage de micro-organismes et de microparticules par assemblage séquentiel assisté par capillarité

La modélisation spatiale de micro-organismes uniques, en particulier dans les arènes expérimentales qui permettent un contrôle total des conditions environnementales, telles que les dispositifs microfluidiques, est hautement souhaitable dans un large éventail de contextes. Par exemple, organiser les micro-organismes en réseaux réguliers permettrait l’imagerie précise d’un grand nombre de cellules individuelles et l’étude de leur croissance, de leur physiologie, de leur expression génique en réponse à des stimuli environnementaux et de leur susceptibilité aux médicaments. Il permettrait également d’étudier les interactions cellule-cellule présentant un intérêt particulier dans la recherche sur la communication cellulaire (p. ex., la détection du quorum), l’alimentation croisée (p. ex., symbiose algale-bactérienne) ou l’antagonisme (p. ex., l’allélopathie), avec un contrôle total sur la localisation spatiale des cellules les unes par rapport aux autres. Les études de physiologie et d’évolution ^cellulaire1, les études d’interaction ^{cellule-cellule2}, le dépistage de la différenciation phénotypique3, la surveillance de l’environnement4 et le dépistage des ^{médicaments5} font partie des domaines qui peuvent grandement bénéficier d’une technologie capable de réaliser une telle analyse quantitative unicellulaire.

Plusieurs stratégies pour isoler et manipuler des cellules individuelles ont été proposées au cours des dernières années, allant des pièges optiques holographiques6 et ^{des méthodes de} fonctionnalisation de surface ^{hétérogène7,8,9,10} aux chimiostats unicellulaires11 et à la microfluidique des gouttelettes12. Ces méthodes sont soit techniquement très exigeantes, soit affectent la physiologie cellulaire et ne parviennent pas à fournir une plate-forme à haut débit pour modéliser des microbes qui peuvent être étudiés sur de longues périodes, assurant une résolution d’une seule cellule, un accès optique complet et un contrôle des conditions environnementales. L’objectif de cet article est de décrire une plate-forme permettant de modeler les bactéries avec une précision micrométrique dans des arrangements spatiaux prescrits sur une surface PDMS grâce à un assemblage assisté par capillarité. Cette plate-forme permet une modélisation spatiale précise et flexible des microbes et permet un accès optique complet et un contrôle des conditions environnementales, grâce à sa nature microfluidique.

La technologie derrière cette plate-forme est une technologie d’assemblage développée ces dernières années, nommée sCAPA13,14,15 (assemblage séquentiel de particules assistées par capillarité) qui a été intégrée dans une plate-forme microfluidique16. Le ménisque d’une gouttelette liquide en évaporation, tout en reculant sur un substrat de polydiméthylsiloxane à motifs (PDMS) à l’intérieur d’un canal microfluidique, exerce des forces capillaires qui piègent les particules colloïdales individuelles en suspension dans le liquide dans des puits micrométriques microfabriqués sur le substrat (Figure 1A). Les particules en suspension sont d’abord transportées vers l’interface air-liquide par des courants convectifs, puis placées dans les pièges par capillarité. Les forces capillaires exercées par le ménisque en mouvement agissent à plus grande échelle par rapport aux forces impliquées dans les interactions des particules.

Ainsi, le mécanisme d’assemblage n’est pas influencé par le matériau, les dimensions et les propriétés de surface des particules. Des paramètres tels que la concentration en particules, la vitesse du ménisque, la température et la tension superficielle de la suspension sont les seuls paramètres qui influencent le rendement du processus de modelage. Le lecteur peut trouver une description détaillée de l’influence des paramètres susmentionnés sur le processus de modelage dans 13,14,15. Dans la technologie sCAPA d’origine13,14,15, le processus de modelage colloïdal était effectué dans un système ouvert et nécessitait un étage piézoélectrique de haute précision pour entraîner la suspension à travers le gabarit. Cette plateforme exploite une stratégie différente et permet d’effectuer le modelage avec des équipements standards généralement utilisés en microfluidique dans un environnement contrôlé, minimisant ainsi les risques de contamination des échantillons.

Cette plate-forme microfluidique a d’abord été optimisée sur des particules colloïdales pour créer des réseaux réguliers de particules inertes, puis appliquée avec succès aux bactéries. Les deux plateformes microfluidiques sont décrites dans cet article (Figure 1B,C). La plupart des étapes préparatoires et de l’équipement expérimental décrits dans le protocole sont communs pour les deux applications (Figure 2). Nous rapportons des motifs colloïdaux pour démontrer que la technique peut être utilisée pour effectuer plusieurs dépôts séquentiels sur la même surface afin de créer des motifs complexes et multimatériaux. En particulier, une seule particule a été déposée par piège pour chaque étape afin de former des réseaux colloïdaux avec une géométrie et une composition spécifiques, uniquement dictées par la géométrie et la séquence de remplissage des pièges. En ce qui concerne les motifs bactériens, des dépôts uniques sont décrits, ce qui entraîne le dépôt d’une bactérie par piège. Une fois que les cellules sont modelées à la surface, le canal microfluidique est rincé avec un milieu pour favoriser la croissance bactérienne, l’étape préliminaire de toute étude unicellulaire.