Micro-nano technologies et traitement de l information : une intégration système

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1 Appels IT en e-anté du PCRD Journée de concertation du jeudi 3 janvier Micro-nano technologies et traitement de : une intégration système Jean CHABBAL, Pierre GRANGEAT, Régis GUILLEMAUD LETI (CEA DRT), Département microtechnologies pour la Biologie et la anté CEA/G, 7 rue des Martyrs, F Grenoble Cedex 9, France jean.chabbal@cea.fr, pierre.grangeat@cea.fr, regis.guillemaud@cea.fr Plan intégré aux micro-nano Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 Les principaux capteurs pour la biologie et la santé développés au LETI intégré aux micro-nano Les d imagerie par rayonnement: imagerie morphologique imagerie moléculaire Bloc détecteur γ CdTe Les biopuces et les micro d analyse biologique: profils de concentration moléculaire (acides nucléiques, protéines, peptides,.) Les micro physiologiques: Point santé paramètres physiques (mouvement, activité mécanique, activité électrique,.) Capteur de mouvement 3D Représentation Monde du vivant Micro-nano électroniques Prétraitements Traitement Monde de numérique Miniaturisation, bas coût, parallélisation Correction Quantification,identification, reconstruction, filtrage, compression,. Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 3 Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 4 Les vecteurs physiques d information ur les capteurs développés au DTB, est portée par : des photons (X, γ, rayonnement visible, infrarouge) des molécules (gènes, protéines, peptides) des grandeurs électriques des grandeurs mécaniques (masse, mouvement) Les verrous technologiques sur les micro-nano les effets d échelle problème physique traitements adaptés Faible signal, fort bruit, forte impédance de lecture, nouveaux modèles fonctionnels les effets de parallélisation Multiplexage des signaux, contrainte de cadence d acquisition les effets de dispersion sur les composants Gain, linéarité, dynamique, paramètres fonctionnels Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 5 Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 6

2 NaH/H /EtH Hydroxylation H H H DIEA, toluene, 0 C lanization DIEA : (Et)3 Hydrolysis HCl, 0.N NaI 4 xidation H TRYPIN Trypsin, Na HP 4 0.M, NaCNBH 3,4 C Enzyme grafting C6 es866 7 (.376) C m (8:9) 00 % T F M E+ 4.36e m/z Électrodes Électrodes Plan Analyse biomoléculaire: l approche système intégré intégré aux micronano Préparation des échantillons Extraction des molécules Amplification Purification Contrôle des réactions chimiques Fonctionnalisation des surfaces Détection Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 7 Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 8 Procédés d analyse biomoléculaire Exemples d applications Mélange de molécules à analyser Procédé de manipulation des molécules ystème de lecture Nanotechnologie Profil moléculaire reconstruit Exemple 3 Mélange à analyser peptides acides nucléiques protéines Procédé de manipulation des molécules Colonne de chromatographie Hybridation ADN / ADN complémentaire Hybridation anticorps/antigène ystème de lecture EI + spectromètre de masse ptique par fluorescence Electrochimie ptique par fluorescence Electrochimie peptidiques génétiques protéomiques Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 9 Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 0 Micro-nano intégrés: les compétences Micro-nano technologie Microfluidique Electronique intégrée Chimie mulation H H Dispositif de lecture E P P red Packaging/Connectique e - Les verrous technologiques pour la biologie moléculaire Caractérisation d une maladie par une signature moléculaire (exemple: cancer, maladie infectieuse, maladie immunologique,...) Approche multiparamétrique : un ensemble de gènes, un ensemble de protéines, une association de molécules thérapeutiques, un ensemble de relations fonctionnelles nécessité de reconnaître des signatures sur des profils moléculaires Profils moléculaires = information de base pour la médecine personnalisée, la biologie systèmique, la biologie sur ordinateur Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07

3 T79 Eric Faudry es37 MaxEnt 3 [Ev-938,It50,En] (0.050,00.00,0.00,400.00,,Cmp) 00 % : TF MM 994.9E+ (879.49) L N L (750.5) ymax (M+H) b b y y 5.66 y y (M+H) M/z Les verrous technologiques pour la biologie moléculaire Analyse de profils moléculaires Identification des marqueurs moléculaires, Biocapteurs capables de détecter et de reconstruire moléculaires, pour fournir des mesures sensibles, sélectives, quantitatives et reproductibles, ystèmes d imagerie moléculaire. Échantillon protéique Trypsine digestion protéique nanolc M/M Carte peptidique moléculaires Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 3 Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 4 Microsystème intégré pour la protéomique Les laboratoires sur puce: les d analyse biomoléculaire intégrés Extraction locale Mélange protéines Gel d'électrophorèse D Identification Proteine Laboratoire sur puce pour la digestion des protéines Peptide ystème de détection (spectro de masse) éparation des peptides Digestion Mélangedepeptides Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 5 Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 6 Laboratoire sur puce (BICHIPLAB) La reconstruction de profils moléculaires Mélangeur d élution eau/acétonitrile R4 R5 Circulation des fluides par électro-osmose Module de séparation peptidiques par électrochromatographie pectro de masse mélange système d analyse Problème direct perturbation Mesures P R3 R R: réservoir Volume réacteur digestion: 65µl D Profondeur 7µm urface développée :00mm R Mix protéines Nombre Mélange à analyser Problème inverse Module de concentration des peptides urface puce :(6.5x)mm Module de digestion enzymatique des protéines Classes de molécules Profil moléculaire reconstruit Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 7 Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E

4 Le futur : les intégrés en goutte Plan Réacteur biologique àgoute intégré aux micronano Caténaire Matrice d électrodes vers un traitement discret des mélanges moléculaires Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 9 Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 0 Interconnexion avec les neurones Les verrous technologiques Recherche biologique compréhension du vivant Recherche technologique matrice de microélectrodes Intégration miniaturisation des capteurs Capteur «embarqué» sur le vivant Evolution de la physique de mesure (ex : micro électrodes) Augmentation nombre de capteurs et fréquence d acquisition Augmentation flux de données Pharmacologie mise au point de médicaments In Vivo implant réparateur Autonomie des dispositifs sur le vivant éparation entre le dispositif embarqué (incluant le capteur) et le dispositif d utilisation des données bjectif de transmission sans fil Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 L approche système intégré Réseau de neurone de l embryon de souris Patient Animal Cellule Interface de contact Capteur physique Micro technologie µélectrodes Electronique acquisition ( CAD) Prétraitement des données AIC analogique dédié - amplification - filtrage - multiplexage Extraction données pertinentes Potentiels d action & champs de potentiels locaux Électrolyte PP Électrode PA Ref Mesures avec électrodes «unitaires» A Étude du développement du réseau de neurones de la moelle épinière de l embryon de souris pendant sa maturation Normalisation. Tri de spikes Traitement embarqué sur le dispositif? Télécom applicatif : biologie, pharmacologie Application finale spécifique Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 3 Approche MEA nécessaire pour obtenir une cartographie de l activité des pools de neurones Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E

5 Projet Neurocom RMNT Développement d un MEA (Multi Electrode Array) 048 électrodes avec électronique intégrée (AIC) pour faire de l enregistrement et de la stimulation électrique pour des études In Vitro Bio-Logic expertise Module A) Module B) Tissu Interface d'ˇlectrodes enreg stim Amplification / Multiplexage c LNR modélisation électrode EIEE/MEMCAP électrodes LETI Asic + hybridation avec électrodes Mesure électrique : système implanté, neuroprothèse Implant in vivo Enregistrement des mesures Extraction des patterns significatives (spike, onde Gamma) Transferts hors patients (radio, basse consommation) Module C) Module D) yst me de commande Filtrage/Acquisition/timulation Interface Homme/Machine LETI électronique contrôle et acquisition LETI / LNR Brain gate Exploitation des données pour actionneur Pr Nicolelis Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 5 Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 6 Plan Perspectives pour les intégrés au DTB intégré aux micronano ystèmes intégrés autour des micro-nanotechnologies, Principaux domaines d application pour la biologie et la santé : Imagerie morphologique et fonctionnelle, Biopuces et laboratoires sur puces, Imagerie moléculaire, Mesure et stimulation électrique in vivo et in vitro, intégré aux, Interfaces entre le monde du vivant et le monde de numérique, pour le développement de la société de. Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 7 Micro-nano technologies et traitement de : une intégration LETI/DTB/05E-07 8 Merci pour votre attention 9 5