La microplaque multi-puits, longtemps un outil standard dans la recherche biomédicale et les laboratoires de diagnostic, pourrait devenir une chose du passé grâce à la nouvelle technologie de biodétection électronique développée par une équipe d'ingénieurs en microélectronique et de scientifiques biomédicaux du Georgia Institute of Technology.

Essentiellement des matrices de minuscules tubes à essai, les microplaques sont utilisées depuis des décennies pour tester simultanément plusieurs échantillons pour leurs réponses aux produits chimiques, des organismes vivants ou des anticorps. La fluorescence ou les changements de couleur des marqueurs associés aux composés sur les plaques peuvent signaler la présence de protéines ou de séquences de gènes particulières.

Les chercheurs espèrent remplacer ces microplaques par une technologie microélectronique moderne, y compris des matrices jetables contenant des milliers de capteurs électroniques connectés à de puissants circuits de traitement du signal. S'ils réussissent, cette nouvelle plate-forme électronique de biodétection pourrait aider à réaliser le rêve d'une médecine personnalisée en rendant possible le diagnostic de la maladie en temps réel - potentiellement dans le cabinet d'un médecin - et en aidant à sélectionner des approches thérapeutiques individualisées.

« Cette technologie pourrait aider à faciliter une nouvelle ère de médecine personnalisée, " a déclaré John McDonald, chercheur en chef à l'Ovarian Cancer Institute d'Atlanta et professeur à la Georgia Tech School of Biology. « Un appareil comme celui-ci pourrait rapidement détecter chez les individus les mutations génétiques révélatrices d'un cancer, puis déterminer quel serait le traitement optimal. Il existe de nombreuses applications potentielles pour cela qui ne peuvent pas être réalisées avec la technologie d'analyse et de diagnostic actuelle. »

La capacité de détecter électroniquement des marqueurs qui différencient les cellules saines des cellules malades est fondamentale pour le nouveau système de biodétection. Ces marqueurs pourraient être des différences de protéines, des mutations dans l'ADN ou même des niveaux spécifiques d'ions qui existent à différentes quantités dans les cellules cancéreuses. Les chercheurs découvrent de plus en plus de différences comme celles-ci qui pourraient être exploitées pour créer des techniques de détection électronique rapides et peu coûteuses qui ne reposent pas sur des étiquettes conventionnelles.

« Nous avons rassemblé plusieurs nouveaux éléments de la technologie nanoélectronique pour créer une méthode permettant de faire les choses d'une manière très différente de ce que nous avons fait, " a déclaré Muhannad Bakir, professeur agrégé à la Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering. « Ce que nous créons est une nouvelle plate-forme de détection à usage général qui tire parti du meilleur de la nanoélectronique et de l'intégration de systèmes électroniques tridimensionnels pour moderniser et ajouter de nouvelles applications à l'ancienne application de microplaque. C'est un mariage d'électronique et de biologie moléculaire.

Les réseaux de capteurs tridimensionnels sont fabriqués à l'aide de méthodes conventionnelles à faible coût, technologie microélectronique descendante. Bien que les systèmes existants de préparation et de chargement des échantillons puissent devoir être modifiés, les nouvelles matrices de biocapteurs devraient être compatibles avec les flux de travail existants dans les laboratoires de recherche et de diagnostic.

« Nous voulons rendre ces dispositifs simples à fabriquer en profitant de toutes les avancées de la microélectronique, tout en ne modifiant pas de manière significative la convivialité pour le clinicien ou le chercheur, " a déclaré Ramasamy Ravindran, assistant de recherche diplômé au Centre de recherche en nanotechnologie de Georgia Tech et à l'École de génie électrique et informatique.

Un avantage clé de la plate-forme est que la détection sera effectuée à l'aide de composants jetables, tandis que le traitement de l'information se fera par des circuits intégrés classiques réutilisables connectés temporairement au réseau. Des connecteurs à ressort ultra-haute densité conformes mécaniquement et des "vias à travers le silicium" avancés établiront les connexions électriques tout en permettant aux techniciens de remplacer les matrices de biocapteurs sans endommager les circuits sous-jacents.

La séparation des parties de détection et de traitement permet d'optimiser la fabrication pour chaque type de dispositif, note Hyung Suk Yang, un assistant de recherche diplômé travaillant également au Centre de recherche en nanotechnologie. Sans la séparation, les types de matériaux et de procédés pouvant être utilisés pour fabriquer les capteurs sont fortement limités.

La sensibilité des minuscules capteurs électroniques peut souvent être supérieure à celle des systèmes actuels, permettant potentiellement de détecter plus tôt les maladies. Étant donné que les puits d'échantillon seront sensiblement plus petits que ceux des microplaques actuelles - permettant un facteur de forme plus petit - ils pourraient permettre d'effectuer plus de tests avec un volume d'échantillon donné.

La technologie pourrait également faciliter l'utilisation de la détection à base de ligands qui reconnaît des séquences génétiques spécifiques dans l'ADN ou l'ARN messager. « Cela nous donnerait très rapidement une indication des protéines qui sont exprimées par ce patient, qui nous donne une connaissance de l'état de la maladie au point de service, " a expliqué Ken Scarberry, un stagiaire postdoctoral au laboratoire McDonald's.

Jusque là, les chercheurs ont démontré un système de biodétection avec des capteurs à nanofils de silicium dans un dispositif à 16 puits construit sur une puce d'un centimètre sur un centimètre. Les nanofils, seulement 50 par 70 nanomètres, différenciées entre les cellules cancéreuses de l'ovaire et les cellules épithéliales ovariennes saines à diverses densités cellulaires.

La technologie des capteurs à nanofils de silicium peut être utilisée pour détecter simultanément un grand nombre de cellules et de biomatériaux différents sans étiquette. Au-delà de cette technologie polyvalente, la plate-forme de biodétection pourrait accueillir un large éventail d'autres capteurs, y compris des technologies qui n'existent peut-être pas encore. Finalement, des centaines de milliers de capteurs différents pourraient être inclus sur chaque puce, suffisamment pour détecter rapidement des marqueurs pour un large éventail de maladies.

« Notre idée de plate-forme est vraiment agnostique pour les capteurs, », a déclaré Ravindran. « Il pourrait être utilisé avec de nombreux capteurs différents que les gens développent. Cela nous donnerait l'opportunité de rassembler de nombreux types de capteurs différents dans une seule puce. »

Les mutations génétiques peuvent conduire à un grand nombre d'états pathologiques différents qui peuvent affecter la réponse d'un patient à une maladie ou à un médicament, mais les méthodes de détection marquées actuelles sont limitées dans leur capacité à détecter simultanément un grand nombre de marqueurs différents.

Cartographie des polymorphismes nucléotidiques simples (SNP), variations qui représentent environ 90 pour cent de la variation génétique humaine, pourrait être utilisé pour déterminer la propension d'un patient à une maladie, ou leur probabilité de bénéficier d'une intervention particulière. La nouvelle technologie de biodétection pourrait permettre aux soignants de produire et d'analyser des cartes SNP au point de service.

Bien que de nombreux défis techniques demeurent, la capacité de dépister des milliers de marqueurs de maladies en temps réel a enthousiasmé les scientifiques biomédicaux comme McDonald.

« Avec suffisamment de capteurs, vous pourriez théoriquement mettre toutes les combinaisons possibles sur le tableau, " il a dit. « Cela n'a pas été considéré comme possible jusqu'à présent, car il n'est probablement pas possible de créer un réseau suffisamment grand pour les détecter tous avec la technologie actuelle. Mais avec la technologie microélectronique, vous pouvez facilement inclure toutes les combinaisons possibles, et ça change les choses.

Des articles décrivant le dispositif de biodétection ont été présentés à l'Electronic Components and Technology Conference et à l'International Interconnect Technology Conference en juin 2010.