Des physiciens et des ingénieurs de la Case Western Reserve University ont développé un capteur optique, à base de métamatériaux nanostructurés, c'est 1 million de fois plus sensible que le meilleur actuellement disponible, capable d'identifier une seule molécule légère dans une solution très diluée.

Leur objectif :fournir aux oncologues un moyen de détecter une seule molécule d'une enzyme produite par les cellules cancéreuses circulantes. Une telle détection pourrait permettre aux médecins de diagnostiquer les patients atteints de certains cancers bien plus tôt que possible aujourd'hui, surveiller le traitement et la résistance et plus encore.

"Le pronostic de nombreux cancers dépend du stade du cancer au moment du diagnostic", a déclaré Giuseppe "Pino" Strangi, professeur de physique à Case Western Reserve et responsable de la recherche.

"Très tôt, la plupart des cellules tumorales circulantes expriment des protéines de très faible poids moléculaire, moins de 500 Daltons, " A expliqué Strangi. " Ces protéines sont généralement trop petites et à une concentration trop faible pour être détectées avec les méthodes de test actuelles, donnant des résultats faussement négatifs.

"Avec cette plateforme, nous avons détecté des protéines de 244 Daltons, qui devrait permettre aux médecins de détecter les cancers plus tôt, on ne sait pas encore combien plus tôt, " at-il dit. " Cette plate-forme de biodétection peut aider à ouvrir la prochaine ère de détection initiale du cancer. "

Les chercheurs pensent que la technologie de détection sera également utile pour diagnostiquer et surveiller d'autres maladies.

Leurs recherches sont publiées en ligne dans la revue Matériaux naturels . C'était un super travail d'équipe, dit Strangi. Il a travaillé avec les chercheurs postdoctoraux Kandammathee Valiyaveedu Sreekanth et Efe Ilker, Les doctorants Yunus Alapan et Mohamed ElKabbash, Professeur adjoint de physique Michael Hinczewski, Professeur assistant en génie aérospatial et mécanique Umut Gurkan (co-PI) et Antonio De Luca, qui était chercheur invité dans le laboratoire de Strangi pendant cette étude et est maintenant professeur agrégé de physique à l'Université de Calabre en Italie.

La science

Le nanocapteur, qui tient dans la paume d'une main, agit comme un tamis biologique, isoler une petite molécule de protéine pesant moins de 800 quadrillions de nanogrammes à partir d'une solution extrêmement diluée.

Pour rendre l'appareil si sensible, L'équipe de Strangi a fait face à deux barrières de longue date :les ondes lumineuses ne peuvent pas détecter les objets plus petits que leurs propres dimensions physiques, qui vont jusqu'à environ un demi-micron. Et les molécules dans les solutions diluées flottent dans un mouvement brownien et sont peu susceptibles d'atterrir sur la surface du capteur.

En exploitant les outils de la nanotechnologie et en couplant un canal microfluidique avec un matériau modifié appelé métamatériau, le scientifique a dépassé les limites.

Le canal microfluidique limite la capacité des molécules à flotter et les conduit vers la zone de détection à la surface du métamatériau.

Le métamatériau est composé d'un total de 16 couches nanostructurées d'or réfléchissant et conducteur et d'oxyde d'aluminium transparent, un diélectrique, chaque 10s d'atomes d'épaisseur. La lumière dirigée sur et à travers les couches est concentrée dans un très petit volume beaucoup plus petit que la longueur d'onde de la lumière.

La couche supérieure d'or est perforée de trous, créant une grille qui diffuse la lumière brillé sur la surface en deux dimensions.

La lumière entrante, qui est de plusieurs centaines de nanomètres de longueur d'onde, semble confiné et concentré dans quelques nanomètres à l'interface entre l'or et la couche diélectrique.

Lorsque la lumière frappe la zone de détection, il excite les électrons libres les faisant osciller et générer une onde de surface à propagation hautement confinée, appelé polariton de plasmon de surface. Cette onde de surface qui se propage excitera à son tour une onde de masse se propageant à travers la plate-forme de détection. La présence des ondes provoque de profonds creux dans le spectre de la lumière réfléchissante.

La combinaison et l'interaction des ondes de plasmon de surface et de plasmon de masse sont ce qui rend le capteur si sensible. dit Strangi. En excitant ces ondes à travers les huit bicouches du métamatériau, ils créent des modes de résonance remarquablement nets.

Des résonances extrêmement nettes et sensibles peuvent être utilisées pour détecter des objets plus petits.

"C'est extrêmement sensible, " dit Strangi. " Quand une petite molécule atterrit à la surface, il en résulte une grande modification locale, provoquant le déplacement de la lumière."

Le potentiel

Selon la taille de la molécule, la lumière réfléchissante décale différentes quantités. Les chercheurs espèrent apprendre à identifier des molécules spécifiques, à commencer par des biomarqueurs pour différents cancers, par leurs décalages lumineux.

Pour ajouter de la spécificité au capteur, l'équipe a ajouté une couche de molécules pièges, qui sont des molécules qui se lient spécifiquement aux molécules qu'elles chassent.

Dans les essais, les chercheurs ont utilisé des molécules pièges pour capturer deux biomolécules différentes :l'albumine de sérum bovin, avec un poids moléculaire de 66, 430 Daltons, et la biotine, avec un poids moléculaire de 244 Daltons. Chacun a produit un décalage de lumière de signature.

D'autres chercheurs ont rapporté avoir utilisé des biocapteurs à base de plasmons pour détecter la biotine dans des solutions à des concentrations allant de plus de 100 micromoles par litre à 10 micromoles par litre. Cet appareil s'est avéré 1 million de fois plus sensible, trouver et identifier la biotine à une concentration de 10 picomoles par litre.

Tests et implications

A Cleveland, Strangi et Nima Sharifi, MARYLAND, co-responsable du programme de cancer génito-urinaire pour le Case Comprehensive Cancer Center, ont commencé à tester le capteur avec des protéines liées aux cancers de la prostate.

"Pour certains cancers, comme le cancer colorectal et pancréatique, la détection précoce est essentielle, " dit Sharifi, qui est également la chaire de la famille Kendrick pour la recherche sur le cancer de la prostate à la Cleveland Clinic. "La détection à haute sensibilité des protéines spécifiques du cancer dans le sang devrait permettre la détection des tumeurs lorsqu'elles sont à un stade précoce de la maladie.

"Cette nouvelle technologie de détection peut nous aider non seulement à détecter les cancers, mais quel sous-ensemble de cancer, ce qui motive sa croissance et sa propagation et à quoi il est sensible, " dit-il. " Le capteur, par exemple, peut nous aider à déterminer des marqueurs de cancers agressifs de la prostate, qui nécessitent des traitements, ou des formes indolentes qui ne le font pas."

Le laboratoire de Strangi travaille avec d'autres oncologues du monde entier pour tester l'appareil et commencer à déplacer le capteur vers une utilisation clinique.

"Nous considérons cela comme le début de notre recherche, " il a dit.