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La vision participe au développement d’un biocapteur atmosphérique

Author(s):

J. Falla, IUT de Metz; M. Henryon, IUT de Metz; P. Laval-Gilly, IUT de Metz

Industry:

University/Education

Product:

LabVIEW, Vision

The Challenge:

L’objectif : développer un biocapteur capable de faire le lien entre la qualité de l’air et son impact sur certaines cellules immunitaires de l’organisme humain (macrophages alvéolaires).

The Solution:

La solution : mettre en place un système de culture de cellules et d’analyse du déplacement de ces cellules composé d’un bioréacteur, d’un automate et d’un PC sous LabVIEW pilotant un système d’acquisition de données et de vision.

Le Laboratoire de Microbiologie Immunologie de l’IUT de Metz (Département Génie Biologique) a mis au point un biocapteur atmosphérique capable de suivre la mobilité des macrophages alvéolaires lors de leur exposition à des polluants atmosphériques. Il existe des indicateurs de pollution, basés sur la mesure physico-chimique de quelques polluants isolés, pour le public (indice ATMO, par exemple) mais ils ne traduisent pas directement l’impact des polluants, dans leur globalité, sur l’organisme humain et donc sur la santé. Le biocapteur atmosphérique représente donc une méthode innovante pour traduire en temps réel, l’incidence des polluants atmosphériques sur des cellules humaines.

Principe
La méthode consiste à cultiver des macrophages dans un bioréacteur. En soumettant ces macrophages à un agent activateur (le fMLP, n-formyl-méthionine-leucine- phénylalanine), on active les cellules qui se déplacent suivant le gradient de concentration de l’activateur. On observe le déplacement des cellules soumises à un air pur de référence et on le compare au déplacement des cellules soumises à un air pollué. On s’aperçoit que les cellules ont un déplacement dont la vitesse diminue de façon proportion-nelle à l’augmentation du taux de pollution. L’analyse de la vitesse des macrophages permet donc de déduire l’effet de la pollution de l’air testé sur l’organisme humain.

Mise en oeuvre
Le biocapteur atmosphérique est constitué d’un bioréacteur, d’une enceinte d’exposition et d’un ordinateur de contrôle/commande et d’analyse d’images. Le bioréacteur sert de milieu de culture, régulé en température, en pH, en oxygène dissous et en niveau de milieu de culture. L’enceinte d’exposition, alimentée en cellules par le bioréacteur, est parcourue par l’air à tester ou l’air de référence pour les phases d’étalonnage interne. Elle possède un système de lavage et de stérilisation.

Le PC utilisé gère une carte d’acquisition et une carte vision de National Instruments. Les entrées analogiques de la carte d’acquisition mesurent la température, l’oxygène dissous, le niveaux et le pH du bioréacteur dont les régulations sont assurées par un automate. La carte vision PCI-1408 pilote une caméra, associée à une lentille de grossissement ¥10, pour observer le comportement des cellules sur le fond de l’enceinte. Un éclairage laser monochromatique de longueur d’onde rouge permet de visualiser les cellules avec plus de netteté et de contraste, sans modifier la température du milieu à étudier.

L’application est pilotée par LabVIEW associé aux bibliothèques de traitement d’images IMAQ Vision. L’image acquise en niveaux de gris pendant dix minutes, à raison d’une image toutes les dix secondes, est seuillée, c’est-à-dire transformée en données binaires. Après différents traitements, un tableau final indique le déplacement de chaque cellule par une variation de l’aire parcourue par la cellule au cours du temps d’analyse. On connaît ainsi la vitesse de déplacement de chaque cellule.

L’application réalisée s’utilise simplement, via un écran tactile de pilotage de l’Interface Homme-Machine. Le développement de l’application sous LabVIEW s’est fait facilement ; les fonctions IMAQ Vision sont faciles à prendre en main puisqu’elles suivent la même logique que LabVIEW.

Résultats
Cette méthode a permis de montrer que les macrophages se déplacent beaucoup moins vite lorsqu’ils sont soumis à une pollution. Ainsi, des macrophages soumis à un air pollué par 40 ppb à 0,5 ppm d’ozone voient leur vitesse diminuer respectivement de 15 % et de 55 % par rapport à des macrophages soumis à un air de référence.

Ce biocapteur de pollution globale va maintenant être industrialisé pour répondre aux demandes des associations de suivi de qualité de l’air qui souhaitent utiliser ces systèmes en complément de leurs systèmesactuels. Il peut aussi intéresser des chercheurs souhaitant étudier le comportement de cellules ainsi que les traiteurs d’eau à la recherche de bactéries ou d’autres xénobiotiques. Pour l’industrialisation, nous allons placer l’ensemble du biocapteur dans une baie équipée de matériel PXI.

Pour en savoir plus, vous pouvezn contacter:

 M. Michel Henryon

IUT de Metz Impasse A. Kastker 57970 Yutz

Tél. : 03 82 82 06 11

E-mail : mhenryon@iut.univ-metz.fr

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