Analyse de sang immédiate par lévitation magnétique

Il existe un besoin accru de systèmes portables robustes et peu chers pour pratiquer sur le champ des analyses qui peuvent se révéler vitales. Des téléphones intelligents (smartphones) dotés de caméras à haute résolution et d’une puissance de calcul élevée peuvent, intégrés à des dispositifs de diagnostics, fournir une solution fiable et peu onéreuse. Des chercheurs de l’Université Stanford, Palo Alto, USA proposent une méthode simple de mesure des concentrations de globules rouges et de globules blancs basée sur leur lévitation dans un champ magnétique et leur séparation due à leur seule densité.

 

La numération des globules rouges (GR) et des globules blancs (GB) du sang est un élément de diagnostic très important dans de multiples affections. Elle est habituellement obtenue par diverses méthodes nécessitant plusieurs manipulations longues et coûteuses en laboratoire de biologie.

La lévitation magnétique des globules rouges et blancs

La méthode proposée par les chercheurs de Stanford est d’une grande simplicité.

Si on place des cellules dans un champ magnétique décroissant vers le haut, elles sont soumises, en raison du caractère diamagnétique de l’eau qu’elles contiennent, à une force de lévitation. A l’équilibre, cette force est compensée par la gravité, ce qui fixe la hauteur atteinte.

Le diamagnétisme est une propriété qui conduit certains matériaux soumis à un champ magnétique à créer une faible aimantation opposée à celui-ci, et donc à générer un champ magnétique opposé au champ extérieur. On montre que, dans un champ magnétique non homogène, un corps diamagnétique est repoussé de l’endroit ou le champ extérieur est maximum.

Pour obtenir une hauteur qui soit bien repérable dans le capillaire, on doit rajouter au sang un sel paramagnétique dont la concentration augmente la hauteur atteinte. On utilise pour cela une solution tampon phosphate salin à laquelle on a rajouté une faible quantité d’un sel de Gadolinium paramagnétique.

Le paramagnétisme est une propriété qui conduit certains matériaux soumis à un champ magnétique à créer une faible aimantation de même direction et même sens que celui-ci.

On peut montrer que la hauteur atteinte varie avec la masse volumique des particules ce qui permet une séparation entre globules rouges et globules blancs (Fig.2.), par exemple. La largeur des bandes observées est, elle, proportionnelle à la concentration. La figure ci-dessous montre la proportionnalité entre concentration et largeur de bande observée.

Fig.1. Largeurs des bandes de globules rouges (GR) et blancs (GB) pour différentes concentrations. a) Images des globules rouges en lévitation pour différentes concentrations (mil est l’abréviation de million) b) La largeur des bandes de globules rouges à différentes concentrations. Le graphe est linéaire pour des concentrations entre 50 et 250 millions de cellules par millilitre avce une pente de 0,6 µm par million de globules par millilitre. c) Images des globules blancs en lévitation pour différentes concentrations. d) La largeur des bandes de globules blancs est proportionnelle à la concentration pour toute valeur de celle-ci. Crédit SMALL. © 2015 Wiley-VCH. Avec autorisation.

Fig.1. Largeurs des bandes de globules rouges (GR) et blancs (GB) pour différentes concentrations.
a) Images des globules rouges en lévitation pour différentes concentrations (mil est l’abréviation de million)
b) La largeur des bandes de globules rouges à différentes concentrations. Le graphe est linéaire pour des concentrations entre 50 et 250 millions de cellules par millilitre avce une pente de 0,6 µm par million de globules par millilitre.
c) Images des globules blancs en lévitation pour différentes concentrations.
d) La largeur des bandes de globules blancs est proportionnelle à la concentration pour toute valeur de celle-ci.
Crédit SMALL. © 2015 Wiley-VCH. Avec autorisation.

La différence de densité entre globules blancs et globules rouges permet leur séparation comme le montre la figure 2a ci-dessous :

Fig.2. Séparation de globules rouges et de globules blancs qui lévitent à différentes hauteurs dans un champ magnétique décroissant t de bas en hau.t a, image obtenue avec du sang ordinaire. b, image obtenue avec du sang dans lequel on a tué par attaque chimique les globules blancs, qui restent agrégés au fond du canal tandis que les globules rouges lévitent. Crédit SMALL. © 2015 Wiley-VCH. Avec autorisation.

Fig.2. Séparation de globules rouges et de globules blancs qui lévitent à différentes hauteurs dans un champ magnétique décroissant t de bas en hau.t
a) image obtenue avec du sang ordinaire.
b) image obtenue avec du sang dans lequel on a tué par attaque chimique les globules blancs, qui restent agrégés au fond du canal tandis que les globules rouges lévitent.
Crédit SMALL. © 2015 Wiley-VCH. Avec autorisation.

 

La figure 2 b montre que le procédé permet d’identifier parmi des cellules celles mortes ou “malades”.

Le temps nécessaire, tant à la stabilisation de la hauteur atteinte qu’à celle de la largeur des bandes est de 15 minutes pour les deux types de globules.

 

Le dispositif de mesure portatif

La figure suivante (Fig.3.) détaille l’appareillage portatif réalisé par les chercheurs, dispositif qu’ils ont nommé i-Lev en raison de l’utilisation d’un téléphone mobile et de sa caméra.

Il se compose d’éléments extrêmement simples et peu onéreux, le plus coûteux étant le téléphone mobile. Les différents composants sont montés dans un petit dispositif à glissières . Un complément optique est placé sur l’objectif du smartphone, il permet d’avoir une image nette des bandes. Un dispositif de lévitation comprenant deux aimants  au néodyme NdFeB placés face à face, deux miroirs et un canal porte capillaire est placé sous l’optique pour obtenir l’image de la largeur de bandes des cellules sanguines en lévitation. Un éclairage est fourni par une DEL et l’on peut intercaler des filtres neutres pour régler la luminosité.

Les photographies des figures 1 et 2 ont été obtenues avec ce système.

Fig.3. a)Dispositif de lévitation magnétique constitué d’un canal porte capillaire , d’aimants et de deux miroirs latéraux, l’un assurant l’éclairage du capillaire, l’autre renvoyant vers le haut l’image latérale de celui-ci. b) I- Un faible volume (10µl) de sang est prélevé. II - L’échantillon de sang est introduit par capillarité dans le capillaire. III- Le capillaire est scellé avec un mastic vinylique. IV- Il est introduit dans le canal entre deux aimants fer- néodyme- bore. c) Après 30 minutes, le porte-capillaire est introduit dans le dispositif final comprenant un éclairage, un tiroir porte-filtre pour ajuster la luminosité et enfin la caméra du smart phone muni d’un complément optique adéquat. Crédit SMALL. © 2015 Wiley-VCH. Avec autorisation.

Fig.3. Appareillage portatif d’analyse du sang par lévitation magnétique
a) Dispositif de lévitation magnétique constitué d’un canal porte capillaire, d’aimants et de deux miroirs latéraux, l’un assurant l’éclairage du capillaire, l’autre renvoyant vers le haut l’image latérale de celui-ci.
b)  Un faible volume (10µl) de sang est prélevé. II – L’échantillon de sang est introduit par capillarité dans le capillaire. III- Le capillaire est scellé avec un mastic vinylique. IV- Il est introduit dans le canal entre deux aimants fer- néodyme- bore.
c) Après 20 minutes, le porte-capillaire est introduit dans le dispositif final comprenant un éclairage, un tiroir porte-filtre pour ajuster la luminosité et enfin la caméra du smart phone muni d’un complément optique adéquat.
Crédit SMALL. © 2015 Wiley-VCH. Avec autorisation.

Sur l’écran du smartphone, on peut mesurer la largeur des bandes et en déduire la concentration. On peut bien sûr écrire une application qui donne directement celle-ci.

 

 

Avec un tel dispositif, il suffit de moins d’une demi-heure pour obtenir une numération globulaire en n’importe quel lieu. Sa mise en œuvre est rapide et facile. La numération globulaire est fiable et le système peut aussi détecter des cellules individuelles. Actuellement, l’analyse sanguine est un outil de diagnostic qui exige des moyens matériels importants et un personnel qualifié. Ce nouveau dispositif permet des analyses du sang au chevet d’un patient et peut grandement faciliter le diagnostic et le suivi d’un traitement. On peut également imaginer un envoi immédiat de l’analyse à un centre d’expertise médicale qui donnerait un avis sur les suites à donner.
Pour l’avenir, les scientifiques pensent appliquer cette technique au diagnostic et au suivi d’affections diverses. Ils ont en particulier observé que des cellules infectés par des virus présentent des caractéristiques de lévitation différentes selon les virus.

Cela ouvre de prometteuses applications, en particulier dans les pays en voie de développement.

 

 

  

 

Pour en savoir plus :

Integrating Cell Phone Imaging with Magnetic Levitation

(i-LEV) for Label-Free Blood Analysis at the Point-of-Living

Murat Baday, Semih Calamak, Naside Gozde Durmus, Ronald W. Davis,

Lars M. Steinmetz, and Utkan Demirci.

SMALL, 2 NOV 2015,  DOI: 10.1002/smll.201501845

 

 

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