Des scientifiques de l'Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapore) a développé un système de laboratoire sur puce qui peut identifier les aspects de santé du système immunitaire d'une personne à partir d'une goutte de sang, dans quelques minutes.

En utilisant une combinaison de microfluidique - de minuscules canaux microscopiques qui peuvent isoler les globules blancs du sang - et de capteurs électriques, la nouvelle puce a été capable de détecter des différences dans les propriétés électriques des globules blancs prélevés sur des patients sains et diabétiques.

Le dispositif de validation de principe pourrait un jour aider les médecins à mieux comprendre le système immunitaire d'une personne, et repérer les premiers signes d'inflammation et d'infection qui pourraient signaler la nécessité de tests approfondis supplémentaires.

Conçu et construit par le professeur adjoint Hou Han Wei et le professeur adjoint Holden Li de l'École de génie mécanique et aérospatial, leur invention, en cas de succès dans d'autres évaluations de laboratoire et cliniques, pourrait être transformé en un appareil portable adapté aux cliniques familiales et aux polycliniques.

Un prototype d'appareil et les principes d'ingénierie qui le sous-tendent ont été publiés dans deux revues à comité de lecture :Lab on a Chip plus tôt cette année et Biocapteurs et bioélectronique en octobre de l'année dernière.

Comme la santé immunitaire est souvent impliquée dans les maladies cardiovasculaires, les scientifiques affirment que leur appareil peut potentiellement être un outil de dépistage supplémentaire que les médecins peuvent utiliser pour la détection précoce des maladies cardiaques. À Singapour, les maladies cardiovasculaires représentaient 30,1 pour cent de tous les décès en 2017, tandis que le diabète est un grave problème de santé qui touche environ 10 pour cent de la population mondiale.

Comment fonctionne l'invention

Professeur adjoint Hou, qui est également membre du corps professoral de la Lee Kong Chian School of Medicineat NTU, ont déclaré que leur puce détecte les différences électriques entre un globule blanc sain et un globule malsain. Des globules blancs anormaux ont été signalés comme un biomarqueur précoce d'un risque accru de maladies cardiovasculaires et suggèrent également une inflammation continue.

En utilisant de très petits canaux, la puce sépare d'abord physiquement les différentes cellules sanguines par taille dans les différentes sorties, comme une machine à trier les pièces. Les globules blancs isolés passent ensuite dans un canal spécial où l'impédance électrique est mesurée pour chaque cellule à une vitesse très élevée (des centaines de cellules par seconde).

L'impédance électrique d'une cellule anormale est généralement supérieure à l'impédance d'une cellule saine, donnée en tant que cellule anormale est de plus grande taille et a des propriétés membranaires différentes.

Les globules blancs forment une partie importante du système immunitaire du corps et un type clé connu sous le nom de neutrophiles, sont la première ligne de défense en cas d'infection ou d'inflammation.

"Nos puces peuvent isoler des milliers de globules blancs d'une seule goutte de sang et, dans quelques minutes, dire si ces cellules sont électriquement différentes de la normale, qui serait un indicateur de l'existence d'un problème de santé nécessitant une enquête plus approfondie, " a déclaré le professeur adjoint Hou.

"Plus important, notre procédé n'utilise pas non plus de biomarqueurs chimiques ou d'anticorps, ce qui rend le dosage bon marché, facile à utiliser, et que nous pouvons faire d'autres analyses sur les mêmes globules blancs que nous avons déjà passés dans la puce. »

Utilisation possible dans les tests cliniques

Le professeur adjoint Holden Li dit que le matériau utilisé pour fabriquer le nouveau laboratoire sur puce est un polymère courant de qualité médicale et est facilement fabriqué à l'aide de machines existantes, et peut être transformé en une machine de la taille d'un bureau pour une utilisation dans les cliniques.

"Notre puce a été conçue pour une mise à l'échelle facile par les entreprises, avec un système intégré construit à partir de composants électroniques disponibles sur le marché. Avancer, nous cherchons à commercialiser la technologie avec un partenaire industriel, comme nous voyons qu'il existe des demandes du marché - pour un dispositif de point de service pour les médecins et comme équipement de laboratoire pour l'étude des neutrophiles et le dépistage des médicaments, " a déclaré le professeur Li.

Les scientifiques ont ajouté qu'ils faisaient également plus de recherches sur les différents niveaux d'impédance électrique et sur ce que chacun d'eux signifie, afin de construire une sorte de bibliothèque de référence pour l'analyse automatisée, et travaillera avec des médecins pour tester leur prototype en milieu clinique.

Donner un avis indépendant sur la recherche, Professeur Bernhard Boehm, Chaire Ong Tiong Tat Professeur de recherche sur le diabète à la Lee Kong Chian School of Medicine de la NTU, a déclaré que de nombreux patients diabétiques sont également sensibles aux infections chroniques dues à une maladie affectant les performances du système immunitaire.

« Il existe un certain nombre de limites à l'utilisation de marqueurs de diagnostic conventionnels pour les patients présentant une suspicion clinique d'infection. En particulier, il est nécessaire d'améliorer le diagnostic précoce des infections bactériennes et de fournir des conseils pour l'antibiothérapie. »

"Par conséquent, un système de test qui peut guider rapidement les décisions sur l'initiation de thérapies spécifiques serait d'une grande aide dans un cadre clinique. Cependant, cela nécessitera dans un proche avenir des essais cliniques contrôlés randomisés pour fournir la preuve formelle que le nouveau système de test est supérieur aux procédures de diagnostic conventionnelles actuellement utilisées, " a ajouté le professeur Boehm, qui ne faisait pas partie de cette étude.

Outil d'étude des mécanismes de défense immunitaire

Le nouveau dispositif pourrait également être très utile pour l'étude de la NETose, un mécanisme de défense nouvellement découvert dans le domaine de l'immunologie.

Au cours de la NETose, les neutrophiles crachent des brins d'ADN qui piègent les bactéries et les virus, un peu comme une toile d'araignée, d'entraver leurs mouvements et de tuer les agents pathogènes piégés. Cependant, trop de NETose ralentit également la cicatrisation des plaies du diabète.

Expert en nétoses, Professeure adjointe Christine Wong, de la Lee Kong Chian School of Medicine de NTU qui n'a pas participé à cette étude, affirme que la méthodologie la plus largement adoptée pour étudier la propension à la NETose actuellement est l'imagerie en temps réel ou la microscopie des neutrophiles fixés.

Cependant, c'est un processus laborieux pour les chercheurs d'isoler les neutrophiles pour la microscopie sans affecter leur état de base natif, et ne pas influencer les résultats expérimentaux.

"Le nouveau dispositif d'Asst Prof Hou et d'Asst Prof Li peut permettre des expériences et une quantification rapides et non biaisées de la NETose, qui sera particulièrement utile pour le criblage de médicaments ex vivo, ", a déclaré le professeur adjoint Wong dans son commentaire indépendant.

"Si l'appareil peut être modifié pour mesurer la NETose dans les neutrophiles de souris, ce serait une excellente nouvelle pour les chercheurs utilisant des modèles de souris, car le faible rendement en neutrophiles est un obstacle courant dans l'isolement des neutrophiles chez la souris en raison du plus petit volume sanguin disponible chez les souris et de leur rapport de cellules myéloïdes inférieur à celui des humains. »

Le professeur adjoint Wong a ajouté que même si le nouvel appareil ne remplacera probablement pas les expériences de microscopie, en particulier lorsque la visualisation des composants cellulaires au cours du processus de NETosis est l'objet, les ressources économisées grâce à la quantification NET peuvent être détournées vers ces investigations.