L'oxygène est essentiel à la vie humaine, mais dans le corps, certaines conditions environnementales biologiques peuvent transformer l'oxygène en molécules agressivement réactives appelées espèces réactives de l'oxygène (ROS), qui peut endommager l'ADN, ARN, et les protéines. Normalement, le corps s'appuie sur des molécules appelées antioxydants pour convertir les ROS en espèces chimiques moins dangereuses grâce à un processus appelé réduction. Mais les modes de vie malsains, diverses maladies, stress, et le vieillissement peuvent tous contribuer à un déséquilibre entre la production de ROS et la capacité du corps à les réduire et à les éliminer. Les niveaux excessifs de ROS qui en résultent provoquent un stress oxydatif, qui peuvent perturber les fonctions cellulaires normales et augmenter le risque de maladies comme le cancer, neurodégénérescence, dysfonctionnement rénal, et d'autres, qui sont tous accompagnés d'une inflammation sévère.

Le stress oxydatif étant associé à diverses maladies graves, sa détection au sein des organes vivants offre une voie de diagnostic précoce et de traitement préventif, et est, Donc, une question d'un intérêt considérable pour les scientifiques travaillant dans le domaine de la biomédecine. Collaboration internationale récente entre les Instituts nationaux japonais des sciences et technologies quantiques et radiologiques (QST), Académie bulgare des sciences, et l'université de Sofia St. Kliment Ohridski en Bulgarie ont conduit à une technologie prometteuse à cette fin :un nouveau capteur quantique. Leurs travaux sont publiés dans la revue scientifique Chimie analytique , 2021.

Selon le scientifique principal Dr Rumiana Bakalova et son collègue Dr Ichio Aoki de QST, « le nouveau capteur est adapté au diagnostic précoce des pathologies accompagnées d'inflammation, comme les maladies infectieuses, cancer, neurodégénérescence, athérosclérose, Diabète, et dysfonctionnement des reins."

Le capteur comprend un noyau de point quantique - semi-conducteur - recouvert d'un composé de type sucre en forme d'anneau appelé α-cyclodextrine, qui à son tour est lié à six groupes chimiques sensibles à l'oxydoréduction appelés dérivés de nitroxyde. Ces composants présentent l'avantage de profils de sécurité favorables, les cyclodextrines étant approuvées pour une utilisation dans les aliments et les dérivés de nitroxyde étant considérés comme généralement inoffensifs pour les êtres vivants en raison de leurs propriétés antioxydantes.

Les dérivés de nitroxyde amènent le capteur à donner des signaux de fluorescence ON lorsqu'il est dans un état réduit et à donner des signaux magnétiques ON lorsqu'il est dans un état oxydé. Cela permet de détecter le stress oxydatif, ou une capacité cellulaire/tissu réduite, en utilisant des méthodes telles que l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et l'imagerie paramagnétique électronique (EPR), qui peut détecter des signaux magnétiques. Le capteur chimique est également lié à un composé appelé triphénylphosphonium, qui aide le capteur à entrer dans les cellules vivantes et à se rendre dans les mitochondries, qui sont les composants cellulaires le plus souvent responsables de la génération des ROS, en particulier dans des conditions pathologiques.

Pour tester leur nouveau capteur chimique, les scientifiques ont d'abord effectué des expériences avec des cultures de cellules normales (saines) et cancéreuses du côlon en laboratoire. Pour cela, ils ont utilisé leur capteur sous forme oxydée. Dans les cellules saines, Les signaux EPR ont été désactivés ; mais dans les cellules cancéreuses, ils sont restés forts. Cela indique que les capteurs ont été réduits dans les cellules saines par les antioxydants mais sont restés à leur état oxydé dans les cellules cancéreuses, ce qui suggère à son tour que les cellules cancéreuses avaient une capacité oxydative plus élevée.

Pour tester davantage le capteur, les chercheurs ont mené des expériences avec des souris en bonne santé et celles qui avaient été élevées avec un régime riche en cholestérol pendant 2 mois, ce qui les a amenés à développer un dysfonctionnement rénal à un stade précoce en raison d'une inflammation persistante. Par rapport aux souris saines, les souris atteintes de dysfonctionnement rénal présentaient des signaux IRM plus forts dans leurs reins, suggérant que leurs reins étaient soumis à un plus grand stress oxydatif.

Ce travail n'en est qu'à ses débuts et de nombreuses recherches sont nécessaires avant que ces capteurs puissent être prêts pour une utilisation médicale. Mais ces résultats révèlent le potentiel d'une telle technologie. Le Dr Bakalova note :« Notre capteur est adapté pour analyser même les petits déséquilibres redox associés à la surproduction de ROS, par IRM. Et tandis que l'IRM et la tomodensitométrie à elles seules ont permis de diagnostiquer des lésions rénales à un stade avancé, ils n'ont pas encore été en mesure de visualiser les premiers stades du dysfonctionnement. L'utilisation de notre sonde pourrait aider les cliniciens à identifier les patients au stade précoce de lésions rénales avant qu'ils n'aient besoin d'une hémodialyse ou d'une transplantation rénale. Avec d'autres recherches, notre capteur pourrait être la prochaine génération de sondes de contraste sensibles à l'oxydoréduction pour le diagnostic précoce de la dysfonction rénale, et peut-être, un certain nombre d'autres maladies qui s'accompagnent d'inflammation.