Au cœur de ce nouveau spectromètre de mobilité ionique se trouve une puce FAIMS miniaturisée. Crédit :Fraunhofer IPMS
L'air que nous expirons contient des informations qui peuvent aider au diagnostic de la maladie. Les chercheurs du centre de projets Fraunhofer pour les systèmes microélectroniques et optiques pour la biomédecine MEOS développent actuellement des solutions conçues pour permettre l'analyse des gaz respiratoires à cette fin. Bien que leurs recherches portent sur la détection précoce du cancer, le même principe pourrait également être appliqué pour faire la distinction entre COVID-19 et d'autres maladies respiratoires.
Certaines maladies ont une odeur distincte. Une odeur d'acétone légèrement sucrée et fruitée, par exemple, peut indiquer le diabète. En effet, il y a des rapports de médecins dans la Grèce antique qui ont pu détecter la maladie par l'odeur de l'haleine d'un patient. Ces odeurs caractéristiques sont causées par certains composés organiques volatils (COV) qui sont émis par les tissus malades ou l'agent pathogène lui-même avant que les premiers symptômes ne se manifestent.
L'air expiré fournit une empreinte digitale du métabolisme du patient
"Beaucoup de maladies provoquent un changement dans la composition des gaz traces organiques volatils dans l'air expiré qui peuvent être utilisés comme biomarqueurs, " explique le Dr Jessy Schönfelder, associé de recherche chez Fraunhofer MEOS. "C'est souvent une combinaison de plusieurs gaz à l'état de traces dans une concentration significativement élevée ou significativement réduite qui est caractéristique d'une maladie spécifique. Ceci est connu sous le nom d'empreinte digitale de COV ou de schéma de COV." Fraunhofer MEOS à Erfurt est un pôle de projets interdisciplinaires impliquant la participation des instituts Fraunhofer de thérapie cellulaire et d'immunologie IZI, Microsystèmes photoniques IPMS, et Optique appliquée et ingénierie de précision IOF.
Il existe des combinaisons de marqueurs spécifiques pour beaucoup plus de maladies qu'on ne le pensait auparavant. Chacun d'eux doit être minutieusement déchiffré. Telle est la tâche de Schönfelder, chimiste de formation, et son équipe. Ensemble, ils développent maintenant un spectromètre spécial de mobilité ionique (IMS) avec lequel identifier ces modèles de COV. Étant donné que chaque personne exhale environ 200 COV, ce n'est en aucun cas un travail facile. L'objectif de cette recherche est la détection du cancer, en particulier le cancer du poumon.
Le Dr Jessy Schönfelder avec un équipement de mesure des gaz (à gauche) et un instrument de référence pour l'analyse des gaz (à droite). Crédit :Fraunhofer MEOS
L'équipe de recherche de Fraunhofer MEOS espère que cette nouvelle technologie sera capable de détecter un large éventail de biomarqueurs. Ils veulent également l'utiliser pour faire la distinction entre COVID-19 et d'autres infections respiratoires. Il figure également dans le projet de cluster Fraunhofer M3Infekt, qui développe un mobile, modulaire, système de surveillance multimodale pour permettre une intervention rapide en cas de détérioration soudaine de l'état des patients COVID-19. Par ailleurs, on espère que cette méthode d'analyse des gaz respiratoires pourrait fournir une indication avancée des maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer. Cela fournirait non seulement un avertissement plus tôt qu'avec les méthodes conventionnelles telles que les tests sanguins, mais serait également plus pratique, puisqu'il exige simplement que le patient respire dans un tube.
« Il y a un énorme potentiel pour les systèmes de capteurs dans l'analyse des gaz respiratoires, " explique Schönfelder. " La technologie IMS est non invasive, sensible et sélectif. Et c'est rapide, peu coûteux et aussi compact et portable, il n'y a donc aucune raison pour qu'il ne soit pas utilisé dans les cabinets médicaux et les hôpitaux. Le produit fini aura à peu près la taille d'une boîte à chaussures."
Une puce FAIMS à tension alternative
Au cœur de ce nouveau système IMS se trouve une puce de spectrométrie de mobilité ionique asymétrique à champ élevé (FAIMS) miniaturisée. Le système microélectromécanique (MEMS) comprend un filtre ionique et un détecteur. L'appareil dispose également d'une lampe UV. En premier lieu, les COV, contenus dans un gaz vecteur, sont pompés dans le spectromètre, où ils sont ionisés au moyen de la lumière UV. En d'autres termes, ils sont transformés en molécules chargées. "Ceux-ci sont ensuite transmis à la puce FAIMS, qui a été développé par Fraunhofer IPMS, " explique Schönfelder. " Une tension alternative est alors appliquée aux électrodes du filtre. En ajustant la tension au filtre, vous pouvez contrôler quels COV parviennent au détecteur. Cela génère une empreinte VOC, qui nous permet d'identifier la maladie que nous recherchons.
Maintenant, l'équipe de recherche travaille à l'amélioration du système de contrôle électronique et à l'amélioration de l'extraction et du traitement des échantillons. Pendant ce temps, des mesures de référence avec des cultures cellulaires ont maintenant été menées avec succès, et d'autres investigations avec des échantillons cliniques humains sont en cours. Dans un projet récemment achevé chez Fraunhofer IZI, les scientifiques utilisant une technologie similaire ont pu distinguer sept souches bactériennes différentes.
À la fois, des algorithmes d'IA spécialement développés devraient simplifier l'évaluation des empreintes digitales des COV. "Chaque mesure génère un demi-million de lectures, " explique Schönfelder. " Nous voulons donc utiliser l'apprentissage automatique pour analyser cet énorme volume de données. " L'algorithme est formé à l'aide d'échantillons provenant de sujets sains et de patients atteints de cancer. Les résultats de ces mesures sont disponibles en quelques minutes. " Et nous peut bien imaginer que notre spectromètre de mobilité ionique puisse un jour être utilisé pour dépister les passagers des compagnies aériennes afin de déterminer s'ils sont infectés par le coronavirus, " Elle ajoute.
