Les chercheurs de Princeton ont considérablement amélioré la sensibilité des tests immunologiques, un examen médical courant, en utilisant le nanomatériau montré ici. Le matériau se compose d'une série de piliers de verre dans une couche d'or. Chaque pilier est tacheté sur ses côtés de points dorés et coiffé d'un disque doré. Chaque pilier n'a que 60 nanomètres de diamètre, 1/1, 000e de la largeur d'un cheveu humain. Crédit :Stephen Chou/Chimie analytique
Un test de laboratoire utilisé pour détecter une maladie et effectuer des recherches biologiques pourrait être rendu plus de 3 millions de fois plus sensible, selon des chercheurs qui ont combiné des outils biologiques standard avec une percée en nanotechnologie.
Les performances accrues pourraient grandement améliorer la détection précoce du cancer, maladie d'Alzheimer et d'autres troubles en permettant aux médecins de détecter des concentrations de marqueurs révélateurs bien plus faibles qu'auparavant.
La percée implique un test biologique commun appelé immunoessai, qui imite l'action du système immunitaire pour détecter la présence de biomarqueurs - les produits chimiques associés aux maladies. Lorsque des biomarqueurs sont présents dans les échantillons, tels que ceux prélevés sur l'homme, le test immunologique produit une lueur fluorescente (lumière) qui peut être mesurée en laboratoire. Plus la lueur est grande, plus le biomarqueur est présent. Cependant, si la quantité de biomarqueur est trop faible, la lumière fluorescente est trop faible pour être détectée, fixer la limite de détection. Un objectif majeur de la recherche en immunoessai est d'améliorer la limite de détection.
Les chercheurs de Princeton ont résolu cette limitation en utilisant la nanotechnologie pour amplifier considérablement la faible fluorescence d'un échantillon. En façonnant des structures de verre et d'or si petites qu'elles ne pouvaient être vues qu'avec un puissant microscope électronique, les scientifiques ont pu augmenter drastiquement le signal de fluorescence par rapport aux immunoessais conventionnels, conduisant à une amélioration de 3 millions de fois de la limite de détection. C'est-à-dire, le dosage immunologique amélioré nécessiterait la présence de 3 millions de fois moins de biomarqueurs par rapport à un dosage immunologique conventionnel. (En termes techniques, les chercheurs ont mesuré une amélioration de la limite de détection de 0,9 nanomolaire à 300 attomolaires.)
"Cette avancée ouvre de nombreuses opportunités nouvelles et passionnantes pour les immunoessais et autres détecteurs, ainsi que dans la détection précoce et le traitement des maladies, " dit Stephen Chou, le professeur de génie Joseph C. Elgin, qui a dirigé l'équipe de recherche. "En outre, le nouveau dosage est très simple d'utilisation, puisque pour la personne réalisant le test, il n'y aura aucune différence avec l'ancien - ils font la procédure exactement de la même manière."
Les chercheurs ont publié leurs résultats dans deux articles de revues récents. Une, publié le 10 mai dans Nanotechnology, décrit la physique et l'ingénierie du matériau améliorant la fluorescence. L'autre, publié le 20 avril dans Analytical Chemistry, démontre l'effet dans les dosages immunologiques. En plus de Chou, les auteurs incluent les chercheurs post-doctoraux Weihua Zhang, Liangcheng Zhou et Jonathan Hu et les étudiants diplômés Fei Ding, Wei Ding, Wen-Di Li et Yuxuan Wang.
Les dosages immunologiques sont généralement effectués dans un ensemble de flacons en verre tels que celui illustré ici. Le nanomatériau investi à Princeton pour augmenter la sensibilité du test pourrait être ajouté sous forme de couche microscopique au verre. Crédit :Frank Wojciechowski
Le travail a été financé par la Defense Advanced Research Project Agency et la National Science Foundation.
La clé de la percée réside dans un nouveau nanomatériau artificiel appelé D2PA, qui est en cours de développement dans le laboratoire de Chou depuis plusieurs années. Le D2PA est une fine couche de nanostructures d'or entourée de piliers de verre de seulement 60 nanomètres de diamètre. (Un nanomètre est un milliardième de mètre; cela signifie environ 1, 000 des piliers posés côte à côte seraient aussi larges qu'un cheveu humain.) Les piliers sont espacés de 200 nanomètres et coiffés d'un disque d'or sur chaque pilier. Les côtés de chaque pilier sont parsemés de points dorés encore plus petits d'environ 10 à 15 nanomètres de diamètre. Dans des travaux antérieurs, Chou a montré que cette structure unique stimule la collecte et la transmission de la lumière de manière inhabituelle - en particulier, une augmentation de 1 milliard de fois d'un effet appelé diffusion Raman de surface. Le travail actuel démontre maintenant une amélioration du signal géant avec la fluorescence.
Dans un immunodosage typique, un échantillon tel que du sang, la salive ou l'urine est prélevée sur un patient et ajoutée à de petits flacons en verre contenant des anticorps conçus pour « capturer » ou se lier aux biomarqueurs d'intérêt dans l'échantillon. Un autre ensemble d'anticorps marqués avec une molécule fluorescente est ensuite ajouté au mélange. Si les biomarqueurs ne sont pas présents dans les flacons, les anticorps de détection fluorescents ne se fixent à rien et sont lavés. La nouvelle technologie développée à Princeton permet de voir la fluorescence lorsque très peu d'anticorps trouvent leur marque.
En plus des utilisations diagnostiques, les dosages immunologiques sont couramment utilisés dans la découverte de médicaments et d'autres recherches biologiques. Plus généralement, la fluorescence joue un rôle important dans d'autres domaines de la chimie et de l'ingénierie, des écrans lumineux à la récupération d'énergie solaire, et le matériel D2PA pourrait trouver des utilisations dans ces domaines, dit Chou.
Comme prochaines étapes de sa recherche, Chou a déclaré qu'il effectuait des tests pour comparer la sensibilité du dosage immunologique amélioré par le D2PA à un dosage immunologique conventionnel dans la détection des cancers du sein et de la prostate. De plus, il collabore avec des chercheurs du Memorial Sloan-Kettering Cancer Center à New York pour développer des tests pour détecter les protéines associées à la maladie d'Alzheimer à un stade très précoce.
"Vous pouvez avoir une détection très précoce avec notre approche, " il a dit.
