L'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT) fait breveter des puces de biocapteurs à base de graphène, de l'oxyde de graphène et des nanotubes de carbone qui permettront d'améliorer l'analyse des réactions biochimiques et d'accélérer le développement de nouveaux médicaments.

L'Office américain des brevets a récemment publié la demande de brevet (n° US 2015/0301039), qui a été déposé par le MIPT en mai de cette année et qui s'intitule « Capteur biologique et méthode de production de capteur biologique ». En Russie, ce développement est déjà protégé par le brevet n° 2527699 avec une date de priorité du 20 février, 2013. La caractéristique clé du capteur est l'utilisation d'une couche de liaison pour l'immobilisation de biomolécules comprenant un film mince de graphène ou d'oxyde de graphène.

Le graphène est le premier cristal véritablement bidimensionnel, qui a été obtenu expérimentalement et étudié en ce qui concerne ses propriétés chimiques et physiques uniques. En 2010, deux anciens du MIPT, André Geim et Konstantin Novoselov, ont reçu le prix Nobel de physique « pour des expériences révolutionnaires concernant le graphène matériel bidimensionnel ». Il y a maintenant eu une augmentation considérable du nombre d'études de recherche visant à trouver des applications commerciales pour le graphène et d'autres matériaux bidimensionnels. L'une des applications les plus prometteuses du graphène serait les technologies biomédicales, c'est ce que les chercheurs du Laboratoire de nanooptique et plasmonique du Centre d'excellence pour l'optoélectronique à l'échelle nanométrique du MIPT étudient actuellement.

Les biocapteurs sans marquage sont relativement nouveaux dans les laboratoires biochimiques et pharmaceutiques, et ont rendu le travail beaucoup plus facile. Les capteurs permettent aux chercheurs de détecter de faibles concentrations de substances moléculaires biologiquement significatives (ARN, ADN, protéines, y compris les anticorps et les antigènes, virus et bactéries) et étudier leurs propriétés chimiques. Contrairement à d'autres méthodes biochimiques, des marqueurs fluorescents ou radioactifs ne sont pas nécessaires pour ces biocapteurs, ce qui facilite la conduite d'une expérience, et réduit également la probabilité de données erronées en raison des effets que les étiquettes ont sur les réactions biochimiques. Les principales applications de cette technologie sont dans la recherche pharmaceutique et scientifique, diagnostic médical, contrôle de la qualité des aliments et détection des toxines. Les biocapteurs sans marquage ont déjà fait leurs preuves en tant que méthode d'obtention des données les plus fiables sur la pharmacocinétique et la pharmacodynamique des médicaments dans les études précliniques. Les avantages de cette méthode s'expliquent par le fait que la cinétique des réactions biochimiques du ligand (substance active) avec différentes cibles peut être observée en temps réel, qui permet aux chercheurs d'obtenir des données plus précises sur les taux de réaction, ce qui n'était pas possible auparavant. Les données obtenues renseignent sur l'efficacité d'un médicament mais aussi sur sa toxicité, si les cibles sont des cellules « saines » ou leurs parties, lequel le médicament, idéalement, ne devrait pas affecter.

La plupart des biocapteurs sans marquage sont basés sur l'utilisation de la spectroscopie par résonance plasmonique de surface (SPR). Les paramètres de "résonance" dépendent des propriétés de surface à un point tel que même des quantités infimes de substances "étrangères" peuvent les affecter de manière significative. Les biocapteurs sont capables de détecter un trillionième de gramme d'une substance détectable dans une zone d'un millimètre carré.

Les appareils commerciaux de ce type sont vendus dans un format similaire au modèle commercial « lame de rasoir », qui comprend un instrument et des consommables très coûteux. L'instrument est le biocapteur lui-même, comprenant l'optique, microfluidique et électronique. Les consommables pour biocapteurs sont des puces de capteurs constituées d'un substrat de verre, mince film d'or et une couche de liaison pour l'adsorption des biomolécules. Les puces de capteurs utilisent actuellement deux types de technologie de couche de liaison qui ont été développées il y a plus de 20 ans et sont basées soit sur une couche de molécules de thiol auto-assemblées, ou une couche d'hydrogel (généralement du carboxyméthyl dextrane). Le bénéfice que les entreprises ont tiré de la vente de biocapteurs et de consommables est réparti uniformément dans un rapport de 50:50.

Les auteurs du brevet, Aleksey Arsenin et Yury Stebunov, proposent une alternative aux puces de détection existantes pour les biocapteurs basés sur la résonance plasmonique de surface. Sous certaines conditions, l'utilisation de graphène ou d'oxyde de graphène comme couche de liaison entre un film métallique et une couche biologique constituée de molécules cibles est capable d'améliorer considérablement la sensibilité de la biodétection. Les puces de capteur en graphène ont été testées sur des biocapteurs Biacore T200 (General Electric Company) et BiOptix 104sa.

L'utilisation de puces de capteur d'oxyde de graphène pour analyser les réactions d'hybridation de l'ADN est décrite en détail dans un article récent des auteurs du journal de l'American Chemical Society. Matériaux et interfaces appliqués ACS . En plus d'un niveau de sensibilité plus élevé que les produits commerciaux similaires, les puces capteurs proposées possèdent la propriété requise de biospécificité et peuvent être utilisées plusieurs fois, ce qui réduit considérablement les coûts de réalisation d'études biochimiques utilisant les puces.

L'utilisation du graphène augmente plus de dix fois la sensibilité des analyses réalisées par spectroscopie SPR, qui va révolutionner le domaine de la biodétection pharmaceutique. L'application des biocapteurs se limite actuellement à l'analyse de produits biologiques à base de grosses molécules, tandis que plus de la moitié des médicaments produits chaque année ont un faible poids moléculaire (pas plus de quelques centaines de Daltons). L'immobilisation de cibles médicamenteuses à la surface d'une puce de graphène permettra aux scientifiques de tester l'interaction entre les cibles et les petites molécules. Un exemple pourrait être le développement de médicaments qui agissent sur des récepteurs couplés à des protéines G (RCPG), qui sont actuellement les cibles de 40 % des médicaments sur le marché. Les études pharmaceutiques des médicaments agissant sur les GPCR ne sont pas actuellement menées à l'aide de la SPR en raison de la sensibilité insuffisante de la méthode. On s'attend donc à ce que l'utilisation de biocapteurs au graphène dans les études pharmaceutiques contribue à accélérer le développement de médicaments et à surmonter des maladies dangereuses qui ne peuvent être traitées avec les médicaments actuellement sur le marché pharmaceutique.

Les auteurs continuent de travailler pour améliorer leur développement et s'attendent à ce que pour certaines réactions, Les puces biocapteurs basées sur les nouveaux matériaux carbonés offriront un niveau de sensibilité des dizaines ou des centaines de fois supérieur à celui des produits commerciaux similaires actuellement sur le marché. Ils envisagent également la possibilité de commercialiser des puces de graphène. Rien qu'en 2014, environ 10 milliards de dollars américains ont été dépensés en études précliniques. Selon les estimations, le marché annuel des puces de biocapteurs représente un total d'environ 300 millions de dollars américains. Les excellentes propriétés des puces de biocapteurs au graphène leur permettront de concurrencer fortement les types de puces existants – jusqu'à un tiers de l'ensemble du marché.