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SCIENCES DE LA VIE ET DISPOSITIFS MÉDICAUX

CYTOMÉTRIE EN FLUX
 

L'optique au service de la cytométrie en flux

La cytométrie en flux est une technique d'analyse utilisée dans diverses applications des sciences de la vie pour compter, inspecter ou trier des particules en solution telles que des cellules uniques. Cette technique permet d'analyser des populations cellulaires mixtes – par exemple à partir du sang, de la moelle osseuse, ou même de tissus solides tels que des tumeurs lorsque ceux-ci sont dissociés en cellules individuelles. Cela permet de diagnostiquer rapidement et précisément toute une série de maladies ou de trier des cellules en vue d'une analyse plus poussée. La cytométrie en flux est utilisée dans de nombreuses disciplines telles que l'immunologie, le cancer, la virologie et la biologie moléculaire, ainsi que la surveillance des maladies infectieuses.

Les cytomètres en flux sont des appareils de diagnostic qui utilisent des systèmes optofluidiques dans lesquels un ou plusieurs lasers sont focalisés sur l'échantillon à analyser pendant que les particules défilent devant le faisceau. Cela produit des signaux lumineux diffus ou fluorescents en fonction des caractéristiques des particules : leur forme, leur taille ou le colorant utilisé pour la coloration. Ces signaux passent ensuite par des filtres jusqu'au(x) détecteur(s) – généralement des photodiodes ou des tubes photomultiplicateurs. La trajet du faisceau de ces systèmes se compose généralement de lentilles, de filtres optiques, de miroirs, de prismes et d'autres composants optiques pour diriger la lumière. Les composants optiques impliqués sont cruciaux pour améliorer la précision de ces systèmes et transmettre avec succès le signal de la cellule de flux au(x) détecteur(s).

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Le sang et l'optique

Vue d'ensemble de la cytométrie en flux et trajet de faisceau typique

La cytométrie en flux est la principale technologie d'inspection et de détection du sang et des autres fluides corporels. Un cytomètre en flux est composé de trois sous-systèmes essentiels : un système fluidique, un système de détection électronique et un système optique.

Cytométrie en flux
Figure 1 : Configuration typique d'un cytomètre en flux

Système fluidique : Focalisation hydrodynamique

Débits élevés utilisés pour les mesures qualitatives :

  • Le phénotypage, ou la prédiction du phénotype d'un organisme qui n’utilise que des données génétiques recueillies par le séquençage ADN ou le génotypage

Des débits plus faibles sont utilisés pour une résolution plus élevée :

  • Analyse cellulaire et de l’ADN

Système de détection électronique

Lumière diffusée vers l'avant (FSC) : mesure de la lumière diffractée légèrement hors de l'axe du faisceau laser, pour détecter les particules dans une plage de tailles donnée

Lumière diffusée latéralement (SSC) : mesure de la lumière principalement réfractée et réfléchie à toute interface dans la cellule où l'indice de réfraction change proportionnellement à la complexité et à la granularité de la cellule

Équipement

  • Tubes photomultiplicateurs (PMT) : utilisés pour détecter les faibles signaux générés par la SSC et la fluorescence
  • Photodiodes : moins sensibles que les PMT et utilisées pour détecter les signaux FSC plus forts

Système optique

Optiques d'excitation : laser et lentilles servant à modeler et focaliser le faisceau laser

Optiques d'émission : diverses lentilles pour collecter la diffusion, et des miroirs, des filtres et des séparateurs de faisceaux pour un acheminement correct

Fluorophores et filtres pour la microscopie à fluorescence

En savoir plus sur la manière dont les fluorophores et les filtres optiques fonctionnent avec la microscopie par fluorescence.

De nombreuses techniques et méthodes sont utilisées pour visualiser, diagnostiquer et traiter les maladies du sang et les autres fluides corporels. Parmi les techniques les plus courantes, on trouve la cytométrie en flux, le tri cellulaire, l'optofluidique et la microscopie.

Tri cellulaire

Le tri cellulaire activé par fluorescence (FACS) est une branche spécifique de la cytométrie en flux qui trie activement une collection hétérogène de cellules dans différents conteneurs, cellule par cellule. Pour ce faire, on utilise des principes généraux de diffusion de la lumière et de fluorescence basés sur les caractéristiques de chaque cellule.

Optofluidique

Technologie qui combine le domaine de la microfluidique avec celui de l'optique. Les applications primaires comprennent les larges affichages à cristaux liquides, l'énergie et des lentilles optiques, mais le principal moteur des start-ups se concentre sur les dispositifs de laboratoire sur puce, les biocapteurs et les systèmes d'imagerie moléculaire.

Criblage à haut débit

Un processus puissant de découverte de substances actives très utilisé dans l'industrie pharmaceutique. Il s'agit généralement d'une procédure automatisée qui permet de développer plus rapidement de nouveaux médicaments avec moins de risques d'erreur humaine.

Microscopie

Les microscopes optiques traditionnels sont utilisés pour observer des lames d'histologie ou des cellules et échantillons préparés. Les microscopes haut de gamme, appelés microscopes confocaux ou multiphotoniques, utilisent plusieurs lasers, des miroirs de balayage, des actuateurs motorisés et un ensemble de détecteurs haut de gamme pour mieux comprendre l'activité intracellulaire ou les interactions entre protéines.

Tri cellulaire activé par fluorescence (FACS)

Un type particulier de cytométrie en flux qui utilise les caractéristiques de fluorescence et de diffusion des cellules biologiques pour les trier dans des récipients séparés. Cette technique est utilisée pour séparer un à un les éléments d'un mélange hétérogène.

Techniques de diagnostic

Un coup d'œil sur les produits

Les composants optiques sont essentiels pour de nombreuses applications des sciences de la vie et des dispositifs médicaux, notamment les cytomètres en flux. Les séparateurs de faisceau et divers types de filtres, tels que les filtres passe-bande, dichroïques, passe-haut et passe-bas, ne sont que quelques-uns des plus utilisés.

Filtres Passe-Bande

Filtres Passe-Bande

Les filtres passe-bande optiques sont utilisés pour transmettre une partie désirée du spectre tout en rejetant toutes les autres longueurs d'onde à l'extérieur de la bande passante.

Figure 2 (à gauche) : Profil de transmission d’un filtre passe-bande

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Filtres
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Custom Bandpass Filter

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Custom Bandpass Filter
Figure 3 : Un filtre passe-bas et un filtre passe-haut peuvent être combinés pour créer un filtre passe-bande personnalisé
Filtres Passe-Bas

Filtres Passe-Bas

Les filtres optiques passe-bas standard sont utilisés pour transmettre des longueurs d'onde plus courtes qu'une longueur d'onde de coupure cut-off spécifique.

Figure 4 (à gauche) : Profil de transmission d’un filtre passe-bas

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Custom Bandpass Filter

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Filtres Passe-Haut

Filtres Passe-Haut

Les filtres optiques passe-haut standard sont conçus pour transmettre des longueurs d'onde plus grandes qu'une longueur d'onde de coupure cut-on spécifique.

Figure 5 (à gauche) : Profil de transmission d’un filtre passe-haut

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Filtres Dichroïques

Filtres Dichroïques

Les filtres dichroïques reflètent les longueurs d'onde indésirables tout en transmettant la partie souhaitée du spectre. Cet effet est souhaité pour certaines applications car la lumière peut être séparée par longueur d'onde en deux chemins.

Figure 6 (à droite) : Profil de transmission d’un filtre dichroïque

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Séparateurs de Faisceau

Séparateurs de Faisceau

Les séparateurs de faisceau sont des composants optiques utilisés pour séparer la lumière incidente en deux trajets de faisceau distincts. Contrairement aux filtres dichroïques, la lumière d'entrée n'est pas séparée par sa longueur d'onde, mais par un rapport de réflexion/transmission défini, tel que 50/50 ou 70/30.

Figure 7 (à gauche) : La lumière incidente est séparée en deux chemins de faisceaux distincts par cette lame séparatrice

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Maladies du sang

Les maladies courantes du sang, détectées par des techniques de diagnostic avancée telles que la cytométrie en flux, sont répertoriées ci-dessous. Les progrès de l'optique permettent de détecter et de traiter plus facilement ces affections, apportant ainsi un moyen de rendre la technologie et l’équipement plus rapides, portatifs et simples à utiliser.

Figure 8 : Affections courantes du sang
 
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