Notre corps héberge de nombreux micro-organismes tels que des bactéries, des virus, des champignons et des cellules étrangères. L'étude des microbes a explosé avec les progrès récents des systèmes microélectromécaniques (MEMS) et plus particulièrement de la microélectronique. Mais les microbes ne sont-ils pas mauvais ?
Ce sont des corps techniquement étrangers, plus nombreux que nos cellules, mais la plupart sont totalement inoffensifs, et certains sont même essentiels au bon fonctionnement de notre organisme. Notre microbiome change quotidiennement en fonction de certaines variations, telles que le régime alimentaire, la prise de médicaments, le stress et d'autres facteurs environnementaux, mais commençons par le début de l'analyse du microbiome et comment l'électronique a « stimulé » la recherche physiologique et amélioré notre compréhension de l'anatomie humaine.
Une brève histoire de l'électronique implantable
L'électronique implantable existe depuis plus de 60 ans, la première application remontant à quelques années seulement après l'invention du transistor et l'établissement des signaux radio à modulation de fréquence (FM). En 1959, Mackay Noller et d'autres pairs ont développé et testé des émetteurs radio qui communiquaient des informations physiologiques depuis l'intérieur du corps humain, principalement du tractus gastro-intestinal. Peu de temps après, d'autres chercheurs ont incorporé des unités de biotélémétrie pour mesurer et rapporter des informations sur le biome humain dans diverses cavités corporelles sans perturber les paramètres physiologiques, et optimiser les techniques de détection et la transmission de données. La première grande génération de biotélémétrie implantable (et capable de déglutition) dans les années 1960 a permis d'identifier des paramètres cardiovasculaires (électrocardiogramme [ECG], tension artérielle et débit), respiratoires (oxygène et température), neurophysiologiques (activité nerveuse) et gastro-intestinaux (pression, pH) et température). La figure 1 montre quelques circuits de télémétrie des années 1960.
Figure 1 : Exemples de systèmes de télémétrie implantables des années 1960 : a) Oscillateur à blocage Mackay et b) Unité de télémétrie à diode Ko-Tunnel (Image reproduite avec l'aimable autorisation de l'article « Early History and Challenges of Implantable Electronics », rédigé par Wen H. Ko)
À la fin des années 1970, la technologie de la biotélémétrie avait progressé à une vitesse incroyable, avec des applications plus avancées et long terme, allant des stimulateurs cardiaques, des stimulateurs nerveux, des distributeurs d'insuline et même des applications pour la médecine du sport, telles que la surveillance de la pression intra-crânienne (ICP). La figure 2 illustre un système sans batterie qui émet une fréquence proportionnelle à la pression crânienne environnante, afin d'analyser des traumatismes crâniens.
Figure 2 : Système de télémétrie de pression intra-crânienne utilisé pour l'analyse des traumatismes crâniens (Image reproduite avec l'aimable autorisation du livre blanc « The Advantages of Short Range Telemetry though intact skin for Physiological Measurements in both Animals and Man », rédigé par T. B. Fryer)
Le monde de l’analyse du microbiome humain d’aujourd’hui est doté de dispositifs et de technologies électroniques très sophistiqués. Explorons donc certains des développements et des applications les plus récent(e)s.
La technologie MEMS et ses applications dans le microbiome
Organ-on-a-chip est une technologie relativement nouvelle utilisant une combinaison de microfluidique, de systèmes microélectromécaniques biomédicaux (ou bioMEMS) et de biomatériaux pour imiter et simuler des systèmes d'organes à plusieurs niveaux sur un banc de laboratoire. Cela permet de réaliser de véritables études in vitro telles que des tests de médicaments ou des recherches sur les maladies, tout en développant également des dispositifs d'aide implantables. Les fonctions du cerveau, du foie, du cœur, des reins, des poumons et de l'intestin ont toutes été mises en œuvre avec succès sur une plateforme à puce et ont été intégré à divers types d'électronique.
De nombreux dispositifs d'organes sur puce intègrent des microcapteurs (ou capteurs MEMS) qui aident à convertir des éléments tels que le pH, la température, la pression / force, l'accélération, l'humidité, le son / les vibrations, les champs magnétiques et d'autres paramètres biologiques ou chimiques dans un signal électrique. Ces microcapteurs comprennent presque toujours un élément mécanique (tel qu'un diaphragme ou une tige) intégré à d'autres éléments microélectroniques dans un très petit facteur forme, mais nécessitent généralement une sorte de traitement du signal et d'étalonnage ou de compensation pour permettre l'interface. Les capteurs capacitifs sont l'une des techniques de détection les plus courantes utilisées dans les dispositifs MEMS et ont généralement une très petite portée. Il existe de nombreuses façons de convertir une capacité variable en un signal mesurable tel qu'un oscillateur ou un pont. Voir la figure 3 pour quelques exemples de ces interfaces analogiques.
Figure 3 : Méthodes de mesure des changements de capacité : (A) pont, (B) et (C) mesure courant-tension - simple / différentielle, (D) mesure de fréquence et (E) mesure du temps (Image reproduite avec l'aimable autorisation du livre « Sensors for Mechatronics » (deuxième édition), de Paul Regtien et Edwin Dertien)
De nombreux capteurs MEMS numériques intègrent ces interfaces à l'intérieur de l'appareil et fournissent une interface plus simple telle qu'une sortie analogique de niveau TTL ou un bus série tel que I2C ou SPI. Qu'elles soient utilisées dans un dispositif implantable, un organe sur puce ou dans d'autres industries non médicales, la technologie et la recherche MEMS continuent de se développer et de s'enrichir à mesure que nous améliorons notre capacité à fabriquer des micro-machines électromécaniques à l'échelle microscopique. De nombreux dispositifs MEMS tels que les capteurs de débit, de température, d'humidité et de mouvement sont disponibles sur Arrow Electronics.
Défis liés à l'implantation de l'électronique et à la conception de la bioélectromécanique
Il existe de nombreuses difficultés associées à l'implantation ou à l'interfaçage d'un dispositif électronique avec un corps humain, notamment la minimisation de la taille, du poids et de la consommation d'énergie tout en protégeant les circuits des environnements hostiles ou humides. Et surtout, l'appareil doit être sûr et fiable.
Commençons par la taille. Comment concevoir quelque chose d'aussi petit que possible sans sacrifier les performances ? Il est très utile de disposer d'un processus de conception qui permet aux ingénieurs en mécanique et en électricité de collaborer très étroitement sur l'optimisation de l'emballage et de la disposition mécanique, et les systèmes de CAO ont aujourd'hui progressé à pas de géant par rapport aux méthodologies de conception historiques, en permettant une visualisation complète avant même la production de toute pièce matérielle.
Mais la fiabilité est également un élément de taille. De nombreux composants électroniques implantés et bioMEMS sont hermétiquement scellés par un processus appelé « empotage », qui crée une barrière gélatineuse durcie entre les composants et l'enceinte. En fonction de la classification du dispositif médical (les implantables sont généralement de classe III, la classe de risque la plus élevée), certaines normes CEI exigeront qu'il soit testé selon des protocoles de sécurité rigoureux et imposeront des fonctions de sauvegarde et des redondances.
Enfin, l'optimisation de la puissance (en particulier pour les implantables) a été une bataille constante pour les ingénieurs. Nous aimerions penser que nous pouvons exploiter la source d’alimentation centrale du réacteur Arc d’Iron Man, mais au lieu de cela, nous utilisons de petites batteries, des supercondensateurs, des techniques de récupération d’énergie et des fonctionnalités de composants à faible consommation et hautement optimisées. La récupération d'énergie in vivo (IVEH) a été un domaine d'exploration récent qui utilise les effets piézoélectriques et triboélectriques, le potentiel endocochléaire, les piles à biocarburant et la lumière pour fournir des moyens de charge lente des batteries ou des condensateurs. En 2014, une équipe de recherche coréenne a développé un stimulateur cardiaque entièrement alimenté par un matériau piézoélectrique flexible, appelé « nanogénérateur ». Reportez-vous à la figure 4 qui illustre un chemin d’alimentation d'un stimulateur cardiaque.
Figure 4 : Stimulateur cardiaque artificiel utilisant l'énergie électrique d'un matériau piézoélectrique flexible (Image reproduite avec l'aimable autorisation du livre blanc « Self-powered cardiac pacemaker enabled by flexible single crystalline PMN-PT piezoelectric energy harvester », rédigé par Geon-Tae Hwang et l'équipe de KAIST)
Exemples de produits implantables, microbiome sur puce et bioMEMS
Nous avons discuté de l’évolution des microcapteurs et de la microélectronique, ainsi que de la manière dont ils ont été utilisés dans le microbiome humain et les organes simulés, mais observons-les maintenant en action.
La société française Biomillenia, en association avec la plateforme de bioinformatique microbienne de QIAGEN, a développé une plateforme de puce microfluidique à base de gouttelettes utilisée pour la culture et l’analyse des microbes et des espèces bactériennes à un niveau inégalé. Cette plateforme peut analyser jusqu'à 100 millions de microbes en trois jours, contre jusqu'à trois ans avec les méthodes traditionnelles qui en outre nécessiteraient un volume d'analyse beaucoup plus important.
À l'Université Tufts, Fiorenzo Omenetto a étudié comment utiliser la soie avec un réseau de LED en tant que dispositif soluble et implantable pour déterminer la concentration dans le sang de certains biomarqueurs, comme l'insuline. L'idée est que la soie maintienne le réseau de LED / transistors en place, puis utilise des anticorps ou des enzymes pour détecter des biomarqueurs ou des marqueurs de maladie, et se dissolve et laisse derrière elle l'électronique en silicium sans qu'aucune intervention chirurgicale ne soit nécessaire pour la retirer.
Le système CardioMEMS HF (illustré dans la figure 5) d'Abbott est un dispositif implantable utilisant la technologie MEMS qui surveille de manière proactive la pression artérielle et transmet sans fil à une unité de base ces informations pour déterminer l'état de santé du patient, ce qui permet de prévenir les problèmes cardiaques avant même que les symptômes n'apparaissent. Cette technologie ouvre également la voie à de nouvelles possibilités en matière de télémédecine et de personnalisation des traitements des patients, en fonction des mesures produites par l'appareil.
Figure 5 : L'appareil CardioMEMS d'Abbott surveille et transmet de manière proactive les données de pression artérielle (Image : Abbott)
Biolinq a mis en place un dispositif micro-array (illustré à la figure 6) qui évalue vos taux et tendances de glucose et vous indiquera comment l'alimentation et l'exercice ont un impact unique sur votre glycémie, sur un patch de la taille d'une pièce de monnaie. Ce patch contient un réseau de capteurs, une batterie et une carte de circuit imprimé qui transmet sans fil des informations à une application.
Figure 6 : le dispositif de micro-réseau de Biolinq surveille la glycémie (Image : Biolinq)
Innovative Sensor Technology (iST) a développé des biocapteurs utilisés pour mesurer les concentrations de glucose, de lactate, de glutamine et de glutamate en utilisant diverses électrodes qui détectent un courant aussi bas que 20 pA. C’est 20 millions de millionièmes d’un ampère !
Et Sensera, une société spécialisée dans les solutions de capteurs IoT et la microfabrication, a développé des diagnostics de laboratoire sur puce et d'organe sur puce commercialement viables en utilisant ses technologies brevetées de micro-détection et de microfluidique. La figure 7 montre un exemple de microcapteurs utilisés dans une application d'organe sur puce. De nombreux MEMS Sensera et de produits IoT sont disponibles chez Arrow Electronics.
Figure 7 : microcapteurs Sensera utilisés dans une application d'organe sur puce (image : Sensera)
À quoi ressemblera la science médicale dans 10 ans ? Nous vivons à une époque où la science-fiction devient une réalité, et il est passionnant de penser à la façon dont les applications bioMEMS et microbiome sur puce continueront de se développer et de repousser les limites de la mesure et de l'analyse de l'anatomie humaine.