Depuis les années 1940, la haute pression est utilisée comme méthode de perturbation cellulaire, notamment par la Presse à cellules sous pression française, ou Presse française pour faire court. Cette méthode a été développée par Charles Stacy French et utilise une pression élevée pour forcer les cellules à travers un orifice étroit, provoquant la lyse des cellules en raison des forces de cisaillement subies à travers la différence de pression. Alors que les presses françaises sont devenues un élément de base dans de nombreux laboratoires de microbiologie, leur production a été en grande partie interrompue, ce qui a entraîné une résurgence d’applications alternatives de technologies similaires.
Les perturbateurs cellulaires physiques modernes fonctionnent généralement par pression pneumatique ou hydraulique. Bien que les machines pneumatiques soient généralement moins coûteuses, leurs performances peuvent être peu fiables en raison des variations de la pression de traitement tout au long de la course de la pompe à air. On considère généralement que les machines hydrauliques offrent une capacité de lyse supérieure, en particulier lors du traitement d’échantillons plus difficiles à casser tels que la levure ou les bactéries Gram-positives, en raison de leur capacité à maintenir une pression constante tout au long de la course du piston. Comme la presse française, qui fonctionne par pression hydraulique, est capable de lyser plus de 90% des types de cellules les plus couramment utilisés, elle est souvent considérée comme l’étalon-or en matière de performances de lyse et les machines modernes y sont souvent comparées non seulement en termes d’efficacité de lyse mais aussi en termes de sécurité et de facilité d’utilisation. Certains fabricants tentent également d’améliorer la conception traditionnelle en modifiant les propriétés de ces machines autres que la pression entraînant l’échantillon à travers l’orifice. Un tel exemple est Constant Systems, qui a récemment montré que ses perturbateurs cellulaires correspondent non seulement aux performances d’une presse française traditionnelle, mais qu’ils s’efforcent également d’obtenir les mêmes résultats à une puissance beaucoup plus faible.
Technologie de cyclage sous pression (« PCT »). PCT est une plate-forme technologique brevetée qui utilise des cycles alternés de pression hydrostatique entre des niveaux ambiants et ultra-élevés (jusqu’à 90 000 psi) pour contrôler de manière sûre, pratique et reproductible les actions des molécules dans des échantillons biologiques, par ex., la rupture (lyse) de cellules et de tissus provenant de sources humaines, animales, végétales et microbiennes, et l’inactivation d’agents pathogènes. Les systèmes améliorés par le PCT (instruments et consommables) permettent de résoudre certains problèmes difficiles inhérents à la préparation d’échantillons biologiques. Les avantages du PCT comprennent: (a) l’extraction et la récupération de plus de protéines membranaires, (b) une digestion améliorée des protéines, (c) une lyse différentielle dans une base d’échantillon mixte, (d) l’inactivation des agents pathogènes, (e) une détection accrue de l’ADN et (f) un contrôle exquis du processus de préparation des échantillons.
La méthode de microfluidizer utilisée pour la perturbation cellulaire influence fortement les propriétés physico-chimiques de la suspension cellulaire lysée, telles que la taille des particules, la viscosité, le rendement en protéines et l’activité enzymatique. Ces dernières années, la méthode du Microfluidizer a gagné en popularité dans la perturbation cellulaire en raison de sa facilité d’utilisation et de son efficacité à perturber de nombreux types de cellules. La technologie du Microfluidizer a été concédée sous licence à une société appelée Arthur D. Little et a été développée et utilisée pour la première fois dans les années 1980, initialement comme outil de création de liposomes. Il a depuis été utilisé dans d’autres applications telles que les nanoémulsions de perturbation cellulaire et la réduction de la taille des particules solides, entre autres.
En utilisant des microcanaux à géométrie fixe et une pompe intensifieuse, des taux de cisaillement élevés sont générés qui rompent les cellules. Cette méthode de lyse cellulaire peut entraîner la rupture de plus de 90% des cellules d’E. coli.
De nombreuses protéines sont extrêmement sensibles à la température et, dans de nombreux cas, peuvent commencer à se dénaturer à des températures de seulement 4 degrés Celsius. Dans les microcanaux, les températures dépassent 4 degrés celsius, mais la machine est conçue pour refroidir rapidement de sorte que le temps d’exposition des cellules à des températures élevées soit extrêmement court (temps de séjour de 25 ms à 40 ms). Grâce à ce contrôle efficace de la température, le Microfluidizer produit des niveaux plus élevés de protéines et d’enzymes actives que les autres méthodes mécaniques lorsque les protéines sont sensibles à la température.
Des changements de viscosité sont également souvent observés lors de la perturbation des cellules. Si la viscosité de la suspension cellulaire est élevée, cela peut rendre la manipulation en aval — telle que la filtration et le pipetage précis — assez difficile. Les changements de viscosité observés avec un Microfluidizer sont relativement faibles et diminuent avec d’autres passages supplémentaires à travers la machine.
Contrairement à d’autres méthodes de perturbation mécanique, le Microfluidiant brise les membranes cellulaires de manière efficace mais douce, ce qui entraîne des fragments de paroi cellulaire relativement importants (450 nm), et facilite ainsi la séparation du contenu cellulaire. Cela peut conduire à des temps de filtration plus courts et à une meilleure séparation par centrifugation.
La technologie des microfluidiants évolue d’un millilitre à des milliers de litres.
