Brevet FR3049061A1 — publié le 20170922

Dispositif d'analyse d'un échantillon biologique Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif d'analyse d'un échantillon biologique comportant des espèces biologiques. Ce dispositif d'analyse permet notamment de réaliser une concentration et purification des espèces biologiques présentes dans l'échantillon, une lyse de ces espèces biologiques en vue d'en extraire le matériel biologique à analyser, puis une séparation de ce matériel biologique et une réaction d'amplification en vue d'une détection d'un pathogène dans l'échantillon. Etat de la technique La détection de pathogènes dans un échantillon biologique est souvent réalisée en employant un matériel lourd et peu adapté, notamment pour une analyse rapide sur le terrain. La détection nécessite notamment une étape de lyse des espèces biologiques contenues dans l'échantillon pour broyer lesdites espèces, après des étapes de concentration et de purification. Des dispositifs qui permettent de mettre en oeuvre les étapes de concentration, de purification et lyse mécanique sont connus de l'état de la technique. La demande de brevet W02015/181743A1 décrit notamment un tel dispositif. Dans celui-ci, la lyse mécanique est réalisée par cisaillement entre deux parois, l'une des deux parois ayant une surface d'appui rugueuse. Un tel dispositif permet essentiellement de réaliser le broyage et n'est pas adapté pour mettre en oeuvre une analyse plus complète d'un échantillon biologique. Il existe par ailleurs des solutions qui permettent de réaliser une détection de la présence de pathogène par amplification et détection par colorimétrie ou turbidité ou mesure du pH. De telles solutions sont par exemple décrites dans les publications suivantes : « Visual detection of isothermal nucleic acid amplification using pH-sensitive dyes », Nathan A. Tanner et al - BioTechniques, Vol. 58, n°2, February 2015, pp. 59-68. « Colorimetric detection of loop-mediated isothermal amplification reaction by using hydroxy naphthol blue », Motoki Goto et al. - BioTechniques, Vol. 46, No. 3, March 2009, pp. 167-172. 3049061 2 « Loop-Mediated Isothermal Amplification Assay for Rapid Detection of Common Strains of Escherichia coli », Hill J, Beriwal S, Chandra I, et al. - Journal of Clin ical Microbiology. 2008;46(8):2800-2804. doi:10.1128/JCM.00152-08. 5 « Visual Detection of Norovirus Genogroup II by Reverse Transcription Loop-Mediated Isothermal Amplification with Hydroxynaphthol Blue Dye », Jianming, Ziqian Xu, Kai Nie, Xiong Ding, Li Guan, Ji Wang, Yuying Xian, Xiyang Wu , Xuejun Ma - Food and Environmental Virology, September 2014, Volume 6, Issue 3, pp 196-201. 10 Il n'existe cependant pas de dispositif qui permette de réaliser une analyse globale et complète d'un échantillon biologique et qui soit : - Facilement transportable, - Simple d'utilisation, 15 - Fiable, - Peu coûteux. Le but de l'invention est de proposer un dispositif d'analyse d'un échantillon 20 biologique permettant de remplir ces différents objectifs. Exposé de l'invention Ce but est atteint par un dispositif d'analyse d'un échantillon biologique comprenant des espèces biologiques, ledit dispositif comportant : 25 - Un boîtier comportant au moins une ouverture, - Un canal d'injection ménagé dans ledit boîtier et par lequel peut être injecté ledit échantillon biologique sous la forme d'un fluide, - Un canal d'évacuation ménagé dans ledit boîtier, - Une chambre de séparation et de détection dans laquelle débouche le canal 30 d'injection et le canal d'évacuation, - Un filtre séparant ladite chambre en deux espaces distincts, de manière à définir un premier espace dans lequel débouche ledit canal d'injection et un deuxième espace dans lequel débouche ledit canal d'évacuation, ledit filtre présentant une porosité adaptée à la séparation à effectuer, 3049061 3 - Une surface d'appui rugueuse présentant un paramètre de rugosité de surface adapté pour réaliser une lyse mécanique desdites espèces biologiques, ladite surface d'appui étant agencée dans ledit premier espace, - Une membrane souple agencée à l'opposé de la surface d'appui rugueuse 5 par rapport au filtre et obturant l'ouverture réalisée à travers le boîtier. Selon une particularité, la membrane est réalisée dans un matériau transparent. Selon une autre particularité, le boîtier comporte au moins une paroi réalisée dans un matériau transparent. Selon une autre particularité, le dispositif comporte des moyens de chauffage 10 agencés pour chauffer la chambre à une température déterminée. Selon une autre particularité, le boîtier comporte une paroi inférieure, une paroi latérale et une paroi supérieure. Selon une autre particularité, le canal d'injection et le canal d'évacuation sont par exemple réalisés à travers ladite paroi supérieure du boîtier. 15 Selon une autre particularité, ladite ouverture obturée par la membrane est par exemple réalisée à travers la paroi supérieure du boîtier. Selon une autre particularité, la surface d'appui rugueuse présente un paramètre de rugosité de surface moyen compris par exemple entre 0.1 lm et 10µm. Selon une autre particularité, le filtre présente des pores ayant un diamètre 20 moyen compris par exemple entre 0.2 lm et 0.5 L'invention concerne également un procédé d'analyse d'un échantillon biologique, mis en oeuvre à l'aide du dispositif tel que décrit ci-dessus, ce procédé comportant ainsi au moins les étapes suivantes : 25 - Injection d'un échantillon contenant des espèces biologiques dans le premier espace de la chambre du dispositif par le canal d'injection, - Lyse mécanique des espèces biologiques présentes dans la chambre par broyage contre la surface d'appui rugueuse afin de libérer un matériel biologique à analyser, 30 - Séparation du matériel biologique par rapport aux polluants par filtrage à travers le filtre en faisant passer le matériel biologique dans le deuxième espace de la chambre et en maintenant des polluants dans le premier espace, - Amplification du matériel biologique par chauffage de la chambre à une 35 température déterminée, - Analyse du matériel biologique obtenu après amplification. 3049061 4 Selon une particularité, le procédé peut comporter également une étape de rinçage et de purification des espèces biologiques présentes dans la chambre, mise en oeuvre préalablement à l'étape de lyse mécanique. Selon une autre particularité, l'étape d'analyse est par exemple mise en oeuvre 5 par colorimétrie, mesure électrochimique, mesure de turbidité ou fluorescence. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description 10 détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels : - Les figures 1 A et 1 B représentent, de manière schématique, respectivement en vue de dessus et en vue de côté, le dispositif d'analyse d'un échantillon biologique selon l'invention. - Les figures 2A à 2E illustrent les différentes étapes d'une méthode d'analyse 15 et de détection mise en oeuvre grâce au dispositif de l'invention. Description détaillée d'au moins un mode de réalisation Le dispositif de l'invention est destiné à l'analyse d'un échantillon biologique. 20 Cet échantillon biologique se présente par exemple sous la forme d'un fluide qui contient des espèces biologiques contenant un matériel biologique à étudier. Par espèces biologiques, on entend notamment des micro-organismes, des cellules, des spores... Par matériel biologique à étudier, on entend par exemple des molécules d'acide nucléique (ARN, ADN) issues d'une cellule, des protéines, des lipopolysaccharides 25 (LPS), des acides lipotéichoïques (LTA)... L'invention présente la particularité de pouvoir effectuer, dans un même dispositif, à la fois : - Une purification et une concentration des espèces biologiques présentes dans l'échantillon biologique, 30 - Une lyse mécanique des espèces biologiques présentes dans l'échantillon en vue d'en extraire un matériel biologique à étudier, - Une séparation entre le matériel biologique à étudier et des polluants présents, et - Une détection de présence de pathogène dans le matériel biologique qui a 35 été séparé. 3049061 5 Dans la suite de la description, les termes "inférieur", "supérieur", "haut" et "bas" employés sont à comprendre en prenant comme référence un axe principal qui est vertical. Dans la suite de la description, les termes "externe", "extérieur", "interne", 5 "intérieur", doivent être compris en prenant comme référence la chambre du dispositif qui sera décrite ci-dessous. Le dispositif 1 comporte un boîtier. Le boîtier comporte une paroi inférieure 10, une paroi latérale 11 et une paroi supérieure 12. Toutes les parois du boîtier seront 10 préférentiellement réalisées dans un même matériau. Ce matériau sera notamment apte à pouvoir subir un chauffage dans une fourchette de température comprise entre 20°C et 100°C. Préférentiellement, certaines parois du boîtier, au moins sa paroi latérale 11, seront réalisées dans un matériau transparent. Préférentiellement, le matériau employé sera un plastique, par exemple de type PMMA (Poly(Méthacrylate de Méthyle)). 15 Le dispositif 1 comporte une chambre 13 ménagée dans le boîtier. Cette chambre représente l'emplacement dans lequel sont effectuées à la fois la purification/concentration, la lyse mécanique, la séparation et la détection dans les espèces biologiques. La chambre 13 est fermée vers le bas par la paroi inférieure du boîtier. 20 Le dispositif comporte un canal d'injection 14 pour y injecter tous types de fluides, par exemple à l'aide d'une pipette. Le canal d'injection comporte une entrée ménagée par exemple à travers la paroi supérieure 12 du boîtier et une sortie qui débouche dans ladite chambre 13. L'entrée du canal d'injection 14 est par exemple agencée verticalement et sa sortie débouche par exemple horizontalement dans la 25 chambre 13. L'entrée du canal d'injection est par exemple évasée pour y appliquer le cône d'une pipette ou sera adaptée au type de dispositif employé pour injecter le fluide dans le dispositif. A titre d"exemple, il s'agira d'une entrée présentant un embout de type lueur pour y connecter une seringue. Le dispositif comporte un canal d'évacuation 15 dont l'entrée communique avec 30 l'espace formé par la chambre 13 et la sortie communique avec l'extérieur par une ouverture réalisée par exemple à travers la paroi supérieure du boîtier. Par ce canal d'évacuation 15, on évacue des fluides injectés. Son entrée est par exemple agencée horizontalement et sa sortie verticalement. La chambre 13 est placée entre le canal d'injection 14 et le canal d'évacuation 15. 3049061 6 Vers le haut, la chambre 13 est fermée par une membrane 18 souple et étirable, préférentiellement transparente. La paroi supérieure 12 du boîtier du dispositif comporte ainsi une ouverture qui est recouverte de manière hermétique par ladite membrane 18. Ladite membrane est ainsi ancrée dans le boîtier par toute solution de fixation adaptée, 5 par exemple par collage. Cette membrane 18 sera par exemple composée d'un film, par exemple de type MicroAmp, 3M (marques déposées), d'épaisseur, de dimensions et de constitution adaptées pour se déformer de manière élastique, par rapport à ses points d'ancrage, notamment jusqu'au fond de la chambre 13. Le dispositif comporte un filtre 16 agencé dans ladite chambre 13 et séparant 10 ladite chambre 13 en deux espaces. Les deux espaces sont par exemple superposés et désignés ainsi espace inférieur 130 situé sous le filtre et espace supérieur 131 situé au-dessus du filtre. Ce filtre 16 est préférentiellement réalisé sous la forme d'un film souple et fin, tiré dans l'espace formé par la chambre de manière à ne permettre le passage d'un espace à l'autre que par les pores du filtre 16. Le film présente une déformabilité 15 élastique lui permettant de s'étirer lors de l'exercice d'une force d'appui dans une direction verticale, cette déformabilité élastique ayant un niveau suffisant pour atteindre la surface inférieure de la chambre 13. Le filtre 16 présente un diamètre moyen de pores compris entre 0.2 lm et 50 par exemple compris entre 0.2 lm et 1 lm pour la séparation de microorganismes. Le diamètre des pores est bien entendu adapté pour 20 assurer une séparation entre les polluants et le matériel biologique à étudier. Après l'étape de lyse et la séparation par le filtre 16, le matériel biologique à étudier reste au-dessus du filtre 16, dans l'espace supérieur 131 de la chambre, tandis que les polluants restent au-dessous du filtre, dans l'espace inférieur 130 de la chambre. Le filtre 16 sera par exemple composé d'un film d'épaisseur, de dimensions et de constitution adaptée 25 pour se déformer jusqu'au fond de la chambre 13 par rapport à ses points d'ancrage. Le dispositif comporte une surface d'appui rugueuse 17 agencée sur le fond de la chambre 13. Cette surface d'appui rugueuse 17 s'étend sur une partie majoritaire du fond de la chambre. Elle comporte un paramètre de rugosité de surface moyen compris 30 entre 0.11..tm et 10 pm, préférentiellement compris entre 0.2 i..tm et 3µm. Cette surface d'appui rugueuse 17 est destinée à permettre une lyse mécanique des espèces biologiques présentes dans un échantillon biologique placé dans le dispositif. Préférentiellement, la lyse mécanique est réalisée en broyant lesdites espèces biologiques, par abrasion sur ladite surface d'appui rugueuse. L'opération de broyage 35 est mise en oeuvre par un mouvement de friction des espèces biologiques contre la 3049061 7 surface d'appui rugueuse, en employant un organe de de broyage adapté. Cet organe sera par exemple une spatule 2 (voir figure 2B) ou une tige, par exemple en matériau plastique ou métallique. Cet organe est appliqué de l'extérieur de la chambre 13 et son extrémité est appliquée contre la surface externe de la membrane 18 de manière à étirer 5 la membrane 18 et le filtre vers le fond de la chambre et ainsi frictionner les espèces biologiques présentes dans un échantillon contre la surface d'appui rugueuse. Le dispositif comportera préférentiellement des moyens pour obturer le canal d'injection et le canal d'évacuation afin de fermer tout accès à la chambre et d'isoler l'espace interne de la chambre par rapport à l'extérieur. Ces moyens sont par exemple 10 formés de deux volets 21 dont la position permet d'obturer ou d'ouvrir chaque canal 14, 15 ou formés d'adhésifs collés sur l'entrée du canal d'injection et la sortie du canal d'évacuation. D'autres solutions pourraient bien entendu être envisagées. Préférentiellement, le boîtier peut intégrer des moyens de chauffage de l'espace interne de la chambre, composés par exemple d'au moins une résistance 19 chauffante, 15 comme représenté sur les figures annexées. La résistance est par exemple fixée sous la paroi inférieure du boîtier. Une source d'alimentation 20 sera par exemple prévue pour alimenter la résistance 19. La source d'alimentation comportera par exemple une ou plusieurs piles électriques, fournissant suffisamment d'énergie pour chauffer la chambre à une température comprise dans la fourchette définie ci-dessus, c'est-à-dire de 20°C à 20 100 °C. Bien entendu, d'autres moyens de chauffage pourraient être employés, comprenant par exemple une encre conductrice déposée par imprimerie ou sérigraphie sous la paroi inférieure du boîtier. Ainsi, pour résumer, le dispositif comporte la structure « multicouches » 25 suivante : - Une surface inférieure d'appui rugueuse 17, - Un espace inférieur 130 d'une chambre 13 situé au-dessus de la surface d'appui rugueuse 17, - Un filtre 16 souple et étirable situé au-dessus de l'espace inférieur 130, 30 - Un espace supérieur 131 de la chambre 13 situé au-dessus du filtre 16, - Une membrane 18 souple et étirable située au-dessus de l'espace supérieur 131, fermant hermétiquement la chambre et accessible depuis l'extérieur du dispositif. 3049061 8 A l'aide du dispositif décrit ci-dessus, de manière non limitative, un procédé de lyse, de séparation et de détection comportera par exemple les étapes suivantes : - L'échantillon biologique liquide, comprenant des espèces biologiques 3, est 5 injecté dans la chambre 13 du dispositif 1 à l'aide d'une pipette, via le canal d'injection 14. A titre d'exemple, l'échantillon présente un volume de 1 millilitre et contient 105 bactéries par millilitre. La partie liquide de l'échantillon et toutes les particules/molécules qui passent à travers le filtre 16 sont récupérées par le canal d'évacuation 16 et écartées de l'analyse. 10 Les bactéries sont alors concentrées dans l'espace inférieur 130 de la chambre 13. Des polluants présents dans l'échantillon, trop gros pour traverser le filtre, peuvent également rester dans l'espace inférieur 130 de la chambre 13. - Une fois l'échantillon présent dans la chambre, une solution de 15 lavage/rinçage des espèces biologiques 3 présentes est préférentiellement injectée à l'aide d'une pipette via le canal d'injection 14, de manière à purifier les bactéries présentes dans l'échantillon (figure 2A. Des polluants 31, trop gros pour traverser le filtre 16 et non solubles, peuvent également rester dans l'espace 130. 20 - Une lyse mécanique des espèces biologiques 3 est mise en oeuvre à l'aide d'une spatule 2. L'extrémité de la spatule 2 est mise au contact de la surface externe de la membrane 18, puis en appuyant sur la membrane 18 pour l'étirer vers l'intérieur de la chambre 13, l'extrémité de la spatule 2 atteint la surface d'appui rugueuse 17 de manière à broyer les espèces biologiques 25 3 contre la surface d'appui rugueuse (figure 2B). - Une fois la lyse mécanique effectuée, l'espace inférieur de la chambre comporte le matériel biologique 30 à étudier, par exemple des molécules d'ADN, et des polluants 31 (figure 2C). - Pour effectuer la séparation entre le matériel biologique 30 à étudier et les 30 polluants 31, une solution liquide contenant des réactifs d'amplification est injectée dans la chambre par le canal d'injection 14, pour éluer le matériel biologique à étudier. Une partie de la solution liquide injectée emporte ainsi le matériel biologique 30 à étudier, par exemple les molécules d'ADN, passe à travers le filtre 16 et rejoint l'espace supérieur 131 de la chambre. Les 3049061 9 polluants 31, qui présentent une structure supérieure au diamètre des pores du filtre 16, restent dans l'espace inférieur 130 de la chambre 13. Lors de cette étape, le canal d'évacuation 15 est préférentiellement obturé par un volet 21 de manière à éviter toute évacuation du matériel biologique 30 à 5 étudier (figure 2D). - Une fois que la séparation entre les polluants 31 et le matériel biologique 30 à étudier est effectuée, il s'agit de réaliser une réaction d'amplification du matériel biologique afin, par exemple, de pouvoir détecter la présence d'un pathogène dans le matériel biologique 30 qui a été séparé. 10 - La réaction d'amplification est mise en oeuvre en chauffant l'espace interne de la chambre 13, par exemple à l'aide du système de résistances 19 intégré au boîtier. Lors de l'opération de chauffage, le canal d'injection 14 et le canal d'évacuation 15 sont préférentiellement fermés. La température à laquelle est chauffée la chambre 13 dépend du type de réaction 15 d'amplification mise en oeuvre. Il pourra s'agir de tous types de réaction d'amplification, par exemple LAMP ("Loop-Mediated Isothermal Amplification"), PCR ("Polymerase Chain Reaction"), NASBA ("Nucleic Acid Sequence Based Amplification"), RPA ("Recombinase Polymerase Amplification") ... Pour une amplification de type LAMP, le chauffage est 20 réalisé à une température avantageusement comprise entre 60°C et 65°C. Cette réaction permet d'amplifier les molécules du matériel biologique 30 à détecter, par exemple les molécules d'ADN. Lors du chauffage, la membrane 18 est par exemple amenée à s'étirer pour créer une concavité dans la chambre 13, augmentant ainsi le volume de la chambre (figure 2E). 25 - Lors de la réaction d'amplification du matériel biologique, il s'agit de détecter si un pathogène est présent. Pour cela, il est possible d'employer différentes méthodes, comme par exemple la colorimétrie, la fluorescence, l'électrochimie, la pHmétrie, la mesure de turbidité. Toute autre méthode de détection pourrait être envisagée. Pour une méthode de détection de type 30 PHmétrie, des électrodes de détection de pH pourraient être intégrées au dispositif. Lors d'une détection par colorimétrie ou fluorescence, la caractéristique transparente de la membrane 18 et/ou du boîtier du dispositif, notamment au niveau de sa paroi latérale, présente l'avantage de permettre une détection visuelle directe. Ainsi, en observant la couleur de 3049061 10 l'échantillon présent dans la chambre, il est possible de déterminer si un pathogène est présent ou non. Le dispositif de l'invention comporte ainsi de nombreux avantages, parmi 5 lesquels : - Un dispositif facilement transportable, car léger et peu encombrant. - Un dispositif qui permet de faire dans une même chambre, à la fois la concentration/purification, la lyse, la séparation, l'amplification et la détection, formant ainsi un laboratoire sur puce (« Lab On Chip »). 10 - Un dispositif qui ne comporte aucune pièce mécanique complexe pour réaliser la lyse mécanique. - Un dispositif qui permet éventuellement une détection par colorimétrie, juste en regardant à travers les parties transparentes du dispositif. REVENDICATIONS1. Dispositif d'analyse d'un échantillon biologique comprenant des espèces biologiques (3), ledit dispositif comportant : - Un boîtier comportant au moins une ouverture, - Un canal d'injection (14) ménagé dans ledit boîtier et par lequel peut être injecté ledit échantillon biologique sous la forme d'un fluide, - Un canal d'évacuation (15) ménagé dans ledit boîtier, - Une chambre (13) de séparation et de détection dans laquelle débouche le canal d'injection (14) et le canal d'évacuation (15), caractérisé en ce qu'il comporte également : - Un filtre (16) séparant ladite chambre en deux espaces distincts de manière à définir un premier espace (130) dans lequel débouche ledit canal d'injection (14) et un deuxième espace (131) dans lequel débouche ledit canal d'évacuation (15), ledit filtre (16) présentant une porosité adaptée à la séparation à effectuer, - Une surface d'appui rugueuse (17) présentant un paramètre de rugosité de surface adapté pour réaliser une lyse mécanique desdites espèces biologiques (3), ladite surface d'appui étant agencée dans ledit premier espace (130), - Une membrane (18) souple agencée à l'opposé de la surface d'appui rugueuse (17) par rapport au filtre (16) et obturant l'ouverture réalisée à travers le boîtier. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane (18) est réalisée dans un matériau transparent. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le boîtier comporte au moins une paroi réalisée dans un matériau transparent. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de chauffage agencés pour chauffer la chambre (13) à une température déterminée. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le boîtier comporte une paroi inférieure (10), une paroi latérale (11) et une paroi supérieure (12). 3049061 12 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le canal d'injection (14) et le canal d'évacuation sont réalisés à travers ladite paroi supérieure du boîtier. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que ladite 5 ouverture obturée par la membrane (18) est réalisée à travers la paroi supérieure (12) du boîtier. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la surface d'appui rugueuse présente un paramètre de rugosité de surface moyen compris entre 0.1pm et 10 iim. 10 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le filtre présente des pores ayant un diamètre moyen compris entre 0.2 lm et 0.5 10. Procédé d'analyse d'un échantillon biologique, mis en oeuvre à l'aide du dispositif défini dans l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il 15 comporte les étapes suivantes : - Injection d'un échantillon contenant des espèces biologiques (3) dans le premier espace (130) de la chambre (13) du dispositif par le canal d'injection (14), - Lyse mécanique des espèces biologiques présentes dans la chambre par 20 broyage contre la surface d'appui rugueuse (17) afin de libérer un matériel biologique (30) à analyser, - Séparation du matériel biologique (30) par rapport aux polluants (31) par filtrage à travers le filtre (16) en faisant passer le matériel biologique (30) dans le deuxième espace (131) de la chambre et en maintenant des 25 polluants dans le premier espace, - Amplification du matériel biologique par chauffage de la chambre à une température déterminée, - Analyse du matériel biologique obtenu après amplification. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte une 30 étape de rinçage et de purification des espèces biologiques présentes dans la chambre (13), mise en oeuvre préalablement à l'étape de lyse mécanique. 12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'étape d'analyse est mise en oeuvre par colorimétrie, mesure électrochimique, mesure de turbidité ou fluorescence.35