L'IA et les lasers au service d'une sélection cellulaire entièrement automatisée

Les cellules souches pluripotentes sont la clé de la médecine personnalisée. Une fois isolées à partir d'échantillons de sang et de tissus, elles peuvent être utilisées pour cultiver des types de cellules de différents tissus. Comme ces cultures cellulaires permettent d'effectuer des tests individuels de médicaments et d'intolérance à l'extérieur du corps, elles constituent un outil puissant pour sélectionner des thérapies personnalisées hautement spécifiques. Cependant, pour mettre en place des traitements personnalisés dans la pratique clinique courante, la médecine a besoin de méthodes efficaces pour isoler les cellules souches pluripotentes. En outre, la recherche pharmaceutique cherche des méthodes pour séparer les cellules dites à haut rendement des cultures polyclonales pour le développement de médicaments et pour les transférer dans des cultures monoclonales sans nuire à la vitalité des cellules ou à leur capacité de se diviser. Pendant la pandémie, les cliniques ont également dû reconnaître que les méthodes disponibles pour isoler et analyser les cellules (immunitaires) à partir d'échantillons de patients poussaient leurs laboratoires à la limite de leurs capacités.

Les instituts Fraunhofer pour la technologie laser ILT et pour la technologie de production IPT présenteront un dispositif à l'occasion d'Analytica '24. Leur innovation accroît considérablement l'efficacité puisqu'elle permet de trier et d'isoler les cellules de manière entièrement automatique. Le LIFTOSCOPE intègre un processus à haut débit assisté par l'IA dans un microscope inversé disponible dans le commerce, équipé d'une caméra à grande vitesse et d'une source de lumière flash. Le LIFTOSCOPE combine trois processus de haute technologie en un seul appareil pour identifier les cellules en quelques microsecondes et les transférer dans des plaques de microtitration avec des taux de survie élevés de plus de 90 %.

L'IA et les lasers pour une sélection cellulaire entièrement automatisée

L'équipe du projet a intégré le procédé breveté MIR LIFT développé par Fraunhofer ILT directement dans la trajectoire du faisceau du microscope. Un système de caméra connecté à celui-ci fournit une centaine d'images haute résolution par seconde. L'IA développée au Fraunhofer IPT utilise la segmentation sémantique pour identifier les types de cellules souhaités dans ces données d'image, et peut être entraînée à reconnaître les cellules souches pluripotentes, les cellules à forte production et les cellules immunitaires. L'IA détermine également la position exacte et le centre de gravité des cellules. Dans le processus MIR LIFT, elles sont ensuite transférées l'une après l'autre à une fréquence élevée pouvant aller jusqu'à 100 Hz sur une plaque de microtitration dans un support développé par le Fraunhofer ILT. "Selon le type de cellule, jusqu'à 100 % des cellules survivent à cette procédure", explique le Dr Nadine Nottrodt, responsable du groupe de biofabrication, qui supervise le projet de développement conjoint au Fraunhofer ILT avec le chef de projet Richard Lensing.

Le processus LIFT lui-même est d'une simplicité fascinante. Une courte impulsion laser de neuf nanosecondes avec quelques microjoules d'énergie suffit à stimuler le milieu liquide directement sous la cellule ciblée pour former une bulle de vapeur. La cellule, qui a été préalablement libérée de son lien par voie enzymatique, est brièvement soulevée par la bulle.

Dès que la bulle s'effondre, il se forme une aspiration qui chasse la cellule dans le récipient de culture de la plaque de microtitration. "Les cellules sont réparties de manière aléatoire dans les échantillons. C'est pourquoi notre système suit une grille prédéfinie et transfère les cellules qui se trouvent dans un rayon de 50 micromètres du point focal", explique M. Lensing. Le LIFTOSCOPE peut alors contrôler et transférer avec précision les cellules dans le cadre d'un processus laser de haute précision, contrôlé optiquement. Si nécessaire, le procédé LIFT peut également être associé à des marqueurs fluorescents pour identifier des cellules spécifiques. Cependant, le processus fonctionne de manière robuste même sans additifs. Il y a deux raisons à cela : D'une part, la localisation précise par l'IA garantit que les cellules sont effectivement capturées par le jet et transportées dans les plaques de microtitration. D'autre part, le Fraunhofer ILT a réussi à éliminer les absorbeurs métalliques, qui étaient initialement nécessaires, en développant continuellement le procédé LIFT. Comme le procédé utilise un laser infrarouge moyen d'une longueur d'onde de 2 940 nanomètres, l'eau déjà présente dans le système est maintenant directement excitée, tandis que les polymères des supports d'échantillons n'absorbent pas cette longueur d'onde ou l'absorbent à peine.

Un mouvement continu contre un processus en dents de scie

L'équipe du projet vise à stabiliser le processus entièrement automatisé de reconnaissance cellulaire et de LIFT en termes de débit élevé et à limiter à dix minutes le temps de traitement d'une plaque de microtitration. Cela nécessite des actionneurs de haute précision, tant pour l'imagerie que pour le positionnement du foyer laser dans le cycle du processus. Cela garantit que le processus atteint la résolution d'image requise pour la détection et la mesure des cellules assistées par l'IA, d'une part, et qu'il affecte et positionne avec précision le foyer laser directement sous la cellule, à 25 micromètres près, d'autre part. Le transfert d'une seule cellule s'effectue en 200 microsecondes. En 100 secondes, 10 000 cellules peuvent être activées avec le LIFTOSCOPE et transférées dans les plaques de microtitration.

L'équipe Fraunhofer a adopté deux stratégies différentes pour déplacer la culture cellulaire. "En mode stop-and-go, une courte phase de repos doit être insérée avant et après le LIFT des cellules, car chaque arrêt déclenche des courants hydrodynamiques dans l'échantillon, qui doivent d'abord se stabiliser avant que la cellule suivante puisse être transférée", rapporte Nottrodt. Cette stratégie leur permet de trier des échantillons contenant de nombreuses cellules différentes, réduisant ainsi l'effort nécessaire à la préparation de l'échantillon. Cependant, les pauses se font au détriment de l'efficacité. Dans le processus continu - la deuxième approche - le LIFTOSCOPE scanne les supports d'échantillons dans une grille pouvant aller jusqu'à 1600 lignes avec un espacement de 50 micromètres, en fonction du type de cellule recherché, et transfère chaque cellule qui entre dans le champ de vision dans ce mouvement continu. Le gain de temps obtenu grâce à cette méthode augmente avec le nombre de cellules transférées. Même avec 10 000 cellules transférées, le processus continu est plus de deux fois plus rapide, et avec 100 000 cellules, il est déjà 20 fois plus rapide que les opérations en mode stop-and-go.

Ce nouveau procédé, basé sur l'IA et le laser, ouvre la voie à un isolement entièrement automatisé et très efficace des cellules vivantes. Selon M. Nottrodt, l'avancement du projet à ce jour montre que la synchronisation du LIFT cellulaire avec la fréquence d'image de la caméra à grande vitesse - et donc un taux de tri unicellulaire de 100 cellules par seconde - est réalisable. La prochaine étape consistera à développer le prototype du processus afin d'atteindre la maturité commerciale. "Les parties intéressées sont invitées à visiter le stand commun de la Fraunhofer-Gesellschaft dans le hall A3/407 à l'occasion d'analytica 2024 pour voir de plus près le LIFTOSCOPE", déclarent Nottrodt et Lensing. Compte tenu du potentiel de la médecine personnalisée, cette technologie doit rapidement trouver sa place dans la pratique médicale, pharmaceutique et clinique.