Des scientifiques travaillant au National Institute of Standards and Technology et aux National Institutes of Health ont conçu et démontré un nouveau sonde à changement de forme, environ un centième de la largeur d'un cheveu humain, qui est capable de sensible, télédétection biologique à haute résolution qui n'est pas possible avec la technologie actuelle. S'il est finalement utilisé à grande échelle, la conception pourrait avoir un impact majeur sur la recherche en médecine, chimie, biologie et ingénierie. Finalement, il pourrait être utilisé dans le diagnostic clinique.

À ce jour, la plupart des efforts pour imager des conditions biochimiques très localisées telles qu'un pH* et une concentration ionique anormaux - des marqueurs critiques pour de nombreux troubles - reposent sur divers nanocapteurs qui sont sondés à l'aide de lumière à des fréquences optiques. Mais la sensibilité et la résolution des signaux optiques résultants diminuent rapidement avec l'augmentation de la profondeur dans le corps. Cela a limité la plupart des applications à moins obscurcies, régions optiquement plus accessibles.

Les nouveaux dispositifs de sonde à changement de forme, décrit en ligne dans le journal La nature , ** ne sont pas soumis à ces limitations. Ils permettent de détecter et de mesurer des conditions localisées à l'échelle moléculaire au plus profond des tissus, et d'observer leur évolution en temps réel.

"Notre conception repose sur des principes de fonctionnement complètement différents, " dit Gary Zabow du NIST, qui a dirigé la recherche avec ses collègues du NIH Stephen Dodd et Alan Koretsky. "Au lieu d'une détection optique, les sondes à changement de forme sont conçues pour fonctionner dans le spectre des radiofréquences (RF), spécifiquement pour être détectable avec un équipement standard de résonance magnétique nucléaire (RMN) ou d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Dans ces plages RF, les signaux sont, par exemple, pas sensiblement affaibli par l'intervention de matériel biologique.

Par conséquent, ils peuvent devenir forts, signaux distinctifs provenant de très petites dimensions à des profondeurs substantielles ou dans d'autres endroits impossibles à sonder avec des capteurs optiques.

Les nouveaux appareils, appelés capteurs magnétiques à codage géométrique (GEM), sont des sandwichs métal-gel de micro-ingénierie environ 5 à 10 fois plus petits qu'un seul globule rouge, l'une des plus petites cellules humaines. Chacun se compose de deux disques magnétiques séparés qui varient de 0,5 à 2 micromètres (millionièmes de mètre) de diamètre et ne font que des dizaines de nanomètres (milliardièmes de mètre) d'épaisseur.

Entre les disques se trouve une couche d'espacement d'hydrogel, un réseau polymère capable d'absorber l'eau et de se dilater considérablement; la quantité d'expansion dépend des propriétés chimiques du gel et de l'environnement qui l'entoure. Inversement, il peut également rétrécir en réponse à l'évolution des conditions locales. Le gonflement ou le rétrécissement du gel modifie la distance (et par conséquent, l'intensité du champ magnétique) entre les deux disques, et cela, à son tour, modifie la fréquence à laquelle les protons des molécules d'eau autour et à l'intérieur du gel résonnent en réponse au rayonnement radiofréquence. Le balayage de l'échantillon avec une gamme de fréquences identifie rapidement la forme actuelle des nanosondes, mesurer efficacement les conditions éloignées grâce aux changements de fréquences de résonance causés par les agents de changement de forme.

Dans les expériences rapportées dans La nature , les scientifiques ont testé les capteurs dans des solutions de pH variable, dans des solutions à gradients de concentration ionique, et dans un milieu de croissance liquide contenant des cellules rénales canines vivantes lorsque leur métabolisme est passé de normal à non fonctionnel en l'absence d'oxygène. Ce phénomène a provoqué l'acidification du milieu de croissance, et le changement au fil du temps a été détecté par les GEM et enregistré par le biais d'un décalage en temps réel des fréquences de résonance. Même pour les non-optimisés, sondes de première génération utilisées, les décalages de fréquence résultant des changements de pH étaient facilement résolvables et des ordres de grandeur plus grands que tout décalage de fréquence équivalent observé par les approches traditionnelles de spectroscopie par résonance magnétique.

Le suivi des valeurs de pH très localisées dans les organismes vivants peut être difficile. (Un test sanguin ne peut pas nécessairement le faire car l'échantillon mélange du sang provenant de nombreux endroits.) Pourtant, les changements de pH locaux peuvent fournir des signaux précoces inestimables de nombreuses pathologies. Par exemple, le pH autour d'une cellule cancéreuse est légèrement inférieur à la normale, et l'inflammation interne conduit généralement à un changement local du niveau de pH. La détection de tels changements pourrait révéler, par exemple, la présence d'une tumeur invisible ou montrer si une infection s'est développée autour d'un implant chirurgical.

"Bien sûr, ce genre d'utilisation potentielle dans les organismes vivants est encore loin, " a déclaré Zabow. "Nos données ont été prises in vitro. Et certaines applications potentielles des capteurs peuvent ne pas être du tout biologiques. Mais un objectif à long terme est d'améliorer nos techniques jusqu'au point où les GEM peuvent être utilisées à des fins biomédicales. »

Cela nécessiterait, entre autres, poursuite de la miniaturisation. Les GEM de 0,5 à 2 µm de diamètre dans les expériences sont déjà suffisamment petits pour de nombreuses applications in vitro et autres applications non biologiques possibles, ainsi que peut-être pour certaines applications cellulaires in vivo. Mais les estimations préliminaires des expérimentateurs indiquent que les capteurs peuvent être considérablement réduits par rapport à leur taille actuelle, et pourrait éventuellement être fait plus petit que 100 nanomètres de diamètre. Cela ouvrirait de nombreuses applications biomédicales supplémentaires.

L'une des caractéristiques les plus importantes des GEM est qu'ils peuvent être "réglés" lors de la fabrication pour répondre à différents états biochimiques et pour résonner dans différentes parties du spectre RF en modifiant la composition du gel et les formes et matériaux des aimants, respectivement. Ainsi, le fait de placer deux populations différentes de GEM sur le même site permet de suivre les changements dans deux variables différentes en même temps, une capacité que les chercheurs ont démontrée en plaçant des GEM avec deux dimensions différentes au même endroit et en détectant les signaux des deux simultanément.

"L'idée est que vous pourriez concevoir différents capteurs pour mesurer différentes choses, mesurer efficacement un panel de biomarqueurs potentiels simultanément, plutôt qu'un seul, pour mieux différencier les différentes pathologies, " dit Zabow. "Nous pensons que ces capteurs peuvent potentiellement être adaptés pour mesurer une variété de biomarqueurs différents, éventuellement y compris des choses telles que le glucose, températures locales, diverses concentrations d'ions, éventuellement la présence ou l'absence de diverses enzymes et ainsi de suite."

Ron Goldfarb, chef du groupe Magnetics du NIST, Note que, « les travaux sur les capteurs magnétiques encodés géométriquement par Gary Zabow et ses collègues sont une extension naturelle des recherches publiées par l'équipe, avec John Moreland du NIST, en 2008. Ces travaux ont montré comment les micro-aimants peuvent agir comme des « étiquettes intelligentes » pour potentiellement identifier des cellules particulières, tissus ou conditions physiologiques. Fonctionnellement, les GEMS dans l'effort actuel sont plus avancés en ce sens qu'ils changent de forme en réponse aux stimuli; Donc, ils agissent comme des appareils de mesure. Le prochain défi sera l'optimisation de la conception et le développement de systèmes dimensionnellement contrôlés, procédés de fabrication à grande échelle afin de rendre ces capteurs largement accessibles aux chercheurs. »