Conception de la plate-forme de détection de pathogènes la plus rapide au monde

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"Les solutions NI (cartes électroniques et LabVIEW) ont permis d’accélérer le développement de l'intégralité de la gamme d’instruments scientifiques Elvesys."

- Emmanuelle Nadal, Elvesys

The Challenge:
Détecter Ebola, l'anthrax ou tout autre virus ou bactérie dans un échantillon en moins de 8 minutes, soit 10 fois plus rapidement qu'avec les meilleures technologies actuelles.

The Solution:
Coupler la rapidité de détection biologique des microtechnologies, la rapidité d'acquisition d'un matériel NI USB-6003 et la souplesse d'une interface LabVIEW pour le contrôle de systèmes complexes.

Author(s):
Emmanuelle Nadal - Elvesys

Utiliser la miniaturisation pour le diagnostic

Détecter Ebola en 8 minutes ? L’anthrax en 6 minutes ? C’est respectivement 7 et 14 fois plus rapide que les meilleures technologies existantes. Elvesys a développé la technologie la plus rapide au monde permettant de détecter n’importe quel agent pathogène en moins de 10 minutes dans une goutte de sang.

Pour cela, nous utilisons la microfluidique, une technologie issue de la microélectronique, qui permet de miniaturiser la quasi-totalité des opérations de diagnostic réalisées dans les hôpitaux sur une simple puce. C'est cette miniaturisation qui permet d’obtenir des processus de détection plus rapides et plus fiables.

Dans le cadre du projet FASTGENE, Elvesys travaille sur une technologie permettant de détecter très rapidement et avec précision des pathogènes dans des échantillons de type sang ou salive. Cette technologie répond à des besoins de santé importants en permettant notamment un diagnostic ultra-rapide et fiable pour des épidémies allant de la banale grippe à Ebola.

La méthode de qPCR la plus rapide au monde

La technologie FASTGENE s’appuie sur 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 copies présentes dans l’échantillon. À chaque cycle d’amplification, la quantité d’ADN totale est mesurée grâce à un marqueur fluorescent. L’obtention de la cinématique complète de cette amplification permet d’obtenir une quantification absolue de la quantité d’ADN présente initialement dans l’échantillon.

La miniaturisation de cette technique a permis à Elvesys d’obtenir des mesures en 7 minutes, là ou un système classique nécessiterait environ une heure, et ce sans perte de précision ni d’efficacité.

Un écrin technologique adapté aux performances de ce laboratoire sur puce

Notre laboratoire sur puce permet de détecter très rapidement virus et bactéries en multipliant rapidement leur ADN et en détectant ces derniers sous forme de spot de fluorescence. 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 des appareils de mesure à la hauteur des performances du laboratoire sur puce. Il fallait notamment un système de lecture optique possédant une vitesse d’acquisition ainsi qu’une résolution bien supérieure à celle de la microscopie de fluorescence classique. La solution retenue a été de développer en interne un lecteur de fluorescence en s’appuyant sur une carte NI USB-6003 ainsi qu’un logiciel dédié conçu et implémenté sous LabVIEW. 

Ce module, de même que l'intégralité de la plate-forme, est également contrôlé par une interface développée sous LabVIEW, ce qui permet de contrôler de manière synchrone l'intégralité des sous-éléments de notre laboratoire sur puce et d'atteindre notre vitesse de détection maximale.

De plus, la rapidité de développement rendue possible par l’utilisation des produits NI a permis de rester dans la course mondiale à l’innovation sur ce sujet porteur dans un domaine hautement concurrentiel.

Un lecteur de fluorescence multi-longueur d’onde

Le 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 très précise afin de détecter des 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 cette carte électronique a donc été un paramètre-clé dans le choix de ce modèle. Enfin, le matériel DAQ NI USB-6003 intègre plusieurs entrées et sorties numériques et analogiques sur la même carte, ce qui a considérablement simplifié la conception de l’électronique de l’appareil et permet de contrôler l’ensemble de ses fonctionnalités avec une seule interface.  

Développement d’un logiciel dédié

Le développement du lecteur de fluorescence s’est accompagné de le conception d’unlogiciel permettant un contrôle maximal sur les différents paramètres de l’appareil. Ce logiciel,conçu et implémenté sous LabVIEW, permet à l’utilisateur de contrôler l’illumination et la sensibilité de détection de l’appareil, ainsi qu’un certain nombre d’autres paramètres de configuration de l’appareil comme la longueur d’onde de fluorescence. Des fonctions d’analyse du signal ont également été développées pour permettre par exemple d’optimiser la précision de la mesure ou de compter des événements à une fréquence élevée.

Une solution contre le bioterrorisme : le soutien de l'armée et du gouvernement français

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 seulement deux ans. La rapidité de développement et les performances de cette plate-forme ont attiré l’attention de la Direction Générale de l’Armement qui nous a confié le développement d’un prototype permettant une utilisation opérationnelle par des troupes françaises.

Cette plate-forme peut être utilisée pour la protection des troupes ou des villes mais son application principale reste le diagnostic rapide et à bas coût des patients lors d'une consultation médicale. L'importance de ce marché et les performances de notre plate-forme ont permis à Elvesys d'être lauréat du Concours Mondial d'Innovation organisé par le gouvernement français pour financer les entreprises susceptibles de participer à la relance de l'économie française dans les 20 ans à venir.

L’offre National Instruments : un tremplin pour de jeunes entreprises innovantes

Elvesys travaille également sur d’autres projets que la détection de pathogènes. À l'origine, le cœur de notre activité consistait à développer et à commercialiser des instruments scientifiques dans le domaine de la microfluidique, afin de devenir l'acteur incontournable de ce domaine.

Les solutions NI (cartes électroniques et LabVIEW) ont notamment permis d’accélérer le développement de l'intégralité de la gamme d’instruments scientifiques Elvesys.

En tirant parti du matériel DAQ de NI et de LabVIEW pour nos interfaces, notre entreprise est parvenue à développer la plus grande gamme d'instruments scientifiques pour la microfludique en moins de cinq ans d'existence.

Aujourd'hui, sans aucune levée de fond, notre société est devenue le leader mondial de l'instrumentation scientifique pour la microfluidique et emploie 20 personnes.

Cet exemple montre que les solutions logicielles et matérielles de NI peuvent permettre l’avènement de nouveaux types d’acteurs sur des marchés de hautes technologies : des entreprises très innovantes ayant un investissement financier de départ très faible.

Grâce à cette souplesse de développement, Elvesys a pu développer l’intégralité des instruments nécessaires au fonctionnement des laboratoires sur puce et équipe aujourd’hui les plus grands laboratoires de recherche avec sa gamme ELVEFLOW de contrôle de flux. L’ensemble de ces instruments est également disponible en version OEM pour les utilisateurs industriels, qui sont de plus en plus nombreux à se tourner vers la microfluidique.

Author Information:
Emmanuelle Nadal
Elvesys
83-85, avenue Philippe Auguste
Paris 75011
France
Tel: +33 (0)1 84 16 38 06
contact@elveflow.com

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