Les biocapteurs mesurent la concentration de molécules dans des échantillons biologiques à des fins biomédicales, environnemental, et applications industrielles, et, idéalement, ils devraient fournir en temps réel, données continues. Cependant, la surveillance continue des petites molécules à faibles concentrations est problématique. Des chercheurs de l'Université de technologie d'Eindhoven ont développé une approche de détection innovante basée sur des sosies moléculaires. Cela pourrait s'avérer essentiel dans les futurs biocapteurs pour la surveillance de la santé et des maladies.

Le domaine des biocapteurs a une histoire riche et inventive. Le "père des biocapteurs" est considéré par beaucoup comme étant Leland C. Clark Jr., qui a conçu un capteur pour mesurer l'oxygène dans le sang au début des années 1960.

Cependant, comme cela arrive dans les travaux pionniers, les choses n'ont pas commencé comme il l'avait espéré. Ses conceptions initiales de capteurs ont échoué parce que les composants sanguins ont affecté l'électrode de détection.

La solution de Clark était de séparer l'électrode et le sang par un emballage de cellophane d'un paquet de cigarettes, qui s'est avérée être la solution nécessaire pour mesurer de manière fiable l'oxygène dans le sang. Un bel exemple de créativité et d'innovation en laboratoire !

Avance rapide jusqu'en 2020, et les chercheurs des départements de génie biomédical et de physique appliquée de la TU/e ​​font preuve d'une inventivité similaire lorsqu'il s'agit de détecter des molécules d'intérêt de faible masse.

Dans un article publié en Capteurs ACS , Junhong Yan, Menno Prins, et ses collègues présentent une nouvelle approche qui peut mesurer en continu la concentration de molécules d'intérêt de faible masse dans des échantillons biologiques basée sur la biodétection par mobilité des particules (BPM).

"Notre approche est une plate-forme pour les futurs biocapteurs pour surveiller en permanence les marqueurs associés à des problèmes de santé personnels tels que l'insuffisance rénale ou hépatique, " dit Yan.

Biocapteurs 101

Les biocapteurs existants donnent généralement un seul résultat de mesure à partir d'un seul échantillon biologique. L'échantillon peut être du sang, transpiration, urine, ou de la salive, et le résultat peut être le niveau d'une protéine, une hormone, une drogue, ou un virus dans l'échantillon.

Cependant, il serait préférable que les capteurs fournissent un flux continu de données plutôt qu'un seul point de données, car cela permettrait à un individu de surveiller l'évolution d'un problème de santé au fil du temps.

Le seul biocapteur continu actuellement disponible dans le commerce est le moniteur de glucose en continu (CGM) qui mesure en continu le glucose dans le liquide cutané interstitiel, ce qui est très utile pour les personnes atteintes de diabète. Malheureusement, les molécules autres que le glucose ne peuvent pas encore être mesurées en continu. Cela représente une opportunité significative pour l'innovation des capteurs !

Chaque biocapteur se compose de trois parties principales :un composant moléculaire qui implique un biorécepteur qui peut se lier à la molécule d'intérêt, un principe de transduction qui convertit la reconnaissance moléculaire en un signal détectable, et un système de détection qui enregistre le signal et présente la réponse sous forme de nombre, graphique, sonner, ou une indication lumineuse pour être facilement interprétée par l'utilisateur.

« Dans ce travail, nous nous sommes concentrés sur la première partie :concevoir un principe moléculaire pour mesurer en continu des molécules d'intérêt de faible masse moléculaire et de faible concentration, " dit Prins.

Sosies moléculaires

Le capteur conçu par Yan, Prins, et l'équipe a adopté l'utilisation de sosies moléculaires ou de fausses versions des molécules d'intérêt.

Alors, comment ces molécules similaires aident-elles à détecter les vraies molécules ? Menno Prins explique plus :« La surface du capteur est recouverte d'anticorps qui peuvent se lier aux molécules d'intérêt. Lorsqu'il n'y a pas de molécules dans le fluide de test, les molécules similaires sont libres de se lier aux anticorps. Cependant, lorsqu'il y a des molécules d'intérêt dans le fluide, ceux-ci peuvent se lier aux anticorps. Par conséquent, les sosies sont libérées de leur liaison aux anticorps."

Les molécules similaires ne se déplacent pas librement autour du capteur comme le font les molécules d'intérêt dans un fluide de test. Ces molécules similaires sont attachées à une microparticule, qui est attaché à la surface du capteur à l'aide d'ADN afin que la commutation entre les états liés et non liés puisse être détectée.

La reliure est la clé

Le fonctionnement de la plate-forme de détection est assez simple, et génial il faut le dire. Tous les événements de liaison moléculaire sont conçus pour être réversibles. Cela inclut la liaison entre les anticorps et les sosies, et la liaison entre les anticorps et les molécules d'intérêt en solution.

Des événements de liaison et de déliaison répétés impliquant les molécules similaires ou les molécules d'intérêt dans un fluide ont lieu, et ces événements peuvent être facilement mesurés en utilisant la microscopie optique en enregistrant l'état de la microparticule.

Lorsqu'il y a une forte concentration des molécules d'intérêt dans une solution, alors la plupart des anticorps sur la surface du capteur sont bloqués. Cela réduit le potentiel pour les microparticules de passer à un état lié. D'autre part, lorsque la concentration est faible, puis de nombreux basculements se produisent entre les états liés et non liés en raison des liaisons réversibles des sosies moléculaires.

"La détection des événements de liaison et de déliaison d'un grand nombre de particules causées par les interactions moléculaires spécifiques est la clé de la technologie, nous permettant de mesurer de petits changements de concentration moléculaire dans le fluide, " dit Yan.

Réussir les tests et prochaines étapes

Pour tester leur nouvelle approche, les auteurs ont conçu des capteurs pour surveiller les concentrations de courts fragments d'ADN simple brin et de créatinine. Les concentrations ont été suivies pendant des heures, avec une résolution temporelle de quelques minutes.

La créatinine est une molécule métabolite avec une petite masse de seulement 113 Dalton qui est un marqueur de la fonction rénale. Le marqueur pourrait être mesuré dans la plage médicalement pertinente entre 10 M et 10 mM. L'ADN simple brin a pu être mesuré entre 10 nM et 1 M.

« Ces résultats sont très prometteurs et démontrent que les petites molécules peuvent être surveillées en continu dans une large gamme de concentrations. Notre prochain objectif est de démontrer la technologie pour une grande variété de molécules et de fluides biologiques, pour permettre de futures applications dans le domaine de la santé, et dans la surveillance des processus industriels et de l'environnement », explique Prins.

Cette approche de détection innovante pourrait très bien résoudre les problèmes de détection de biomarqueurs de faible masse moléculaire pour nos futurs besoins en biocapteurs.

Bien que l'approche soit un peu plus sophistiquée que l'utilisation d'un emballage cellophane sur une électrode, il est fort probable que le regretté Leland C. Clark Jr. aurait été impressionné.