Les scientifiques d'IBM ont développé une nouvelle technologie de laboratoire sur puce qui peut, pour la première fois, séparer les particules biologiques à l'échelle nanométrique et pourrait permettre aux médecins de détecter des maladies telles que le cancer avant que les symptômes n'apparaissent.

Comme indiqué aujourd'hui dans le journal Nature Nanotechnologie , les résultats de l'équipe IBM montrent une séparation par taille des bioparticules jusqu'à 20 nanomètres (nm) de diamètre, une échelle qui donne accès à des particules importantes telles que l'ADN, virus et exosomes. Une fois séparé, ces particules peuvent potentiellement être analysées par les médecins pour révéler des signes de maladie avant même que les patients ne ressentent des symptômes physiques et lorsque les résultats du traitement sont les plus positifs. Jusqu'à maintenant, la plus petite bioparticule pouvant être séparée par taille avec les technologies sur puce était environ 50 fois ou plus, par exemple, séparation des cellules tumorales circulantes des autres composants biologiques.

IBM collabore avec une équipe de l'école de médecine Icahn du mont Sinaï pour poursuivre le développement de cette technologie de laboratoire sur puce et prévoit de la tester sur le cancer de la prostate, le cancer le plus fréquent chez les hommes aux États-Unis.

A l'ère de la médecine de précision, Les exosomes sont de plus en plus considérés comme des biomarqueurs utiles pour le diagnostic et le pronostic des tumeurs malignes. Les exosomes sont libérés dans des fluides corporels facilement accessibles tels que le sang, salive ou urine. Ils représentent un outil biomédical précieux car ils peuvent être utilisés dans le cadre de biopsies liquides moins invasives pour révéler l'origine et la nature d'un cancer.

L'équipe d'IBM a ciblé les exosomes avec son appareil, car les technologies existantes sont confrontées à des défis pour séparer et purifier les exosomes dans les biopsies liquides. Les exosomes ont une taille comprise entre 20 et 140 nm et contiennent des informations sur la santé de la cellule d'origine dont ils sont excrétés. Une détermination de la taille, les protéines de surface et la cargaison d'acides nucléiques transportés par les exosomes peuvent fournir des informations essentielles sur la présence et l'état de développement du cancer et d'autres maladies.

Les résultats d'IBM montrent qu'ils pouvaient séparer et détecter des particules aussi petites que 20 nm à partir de particules plus petites, que les exosomes de taille 100 nm et plus pourraient être séparés des exosomes plus petits, et que la séparation peut avoir lieu malgré la diffusion, une caractéristique de la dynamique des particules à ces petites échelles. Avec le mont Sinaï, l'équipe prévoit de confirmer que leur appareil est capable de prélever des exosomes avec des biomarqueurs spécifiques au cancer à partir de biopsies liquides de patients.

« La capacité de trier et d'enrichir les biomarqueurs à l'échelle nanométrique dans les technologies à base de puces ouvre la porte à la compréhension de maladies telles que le cancer ainsi que des virus comme la grippe ou le Zika, " a déclaré Gustavo Stolovitzky, Directeur de programme de biologie translationnelle des systèmes et de nanobiotechnologie chez IBM Research. « Notre dispositif de laboratoire sur puce pourrait offrir une solution simple, option non invasive et abordable pour potentiellement détecter et surveiller une maladie même à ses premiers stades, bien avant que les symptômes physiques ne se manifestent. Ce laps de temps supplémentaire permet aux médecins de prendre des décisions plus éclairées et lorsque le pronostic des options de traitement est le plus positif."

Avec la capacité de trier les bioparticules à l'échelle nanométrique, Le mont Sinaï espère que la technologie d'IBM pourra fournir une nouvelle méthode pour écouter les messages transportés par les exosomes pour les communications de cellule à cellule. Cela peut élucider des questions importantes sur la biologie des maladies et ouvrir la voie à des outils de diagnostic sur le lieu de soins non invasifs et finalement abordables. Surveiller plus régulièrement cette conversation intercellulaire pourrait permettre aux experts médicaux de suivre l'état de santé d'un individu ou la progression d'une maladie.

« Quand nous sommes en avance sur la maladie, nous pouvons généralement la traiter correctement ; mais si la maladie est en avance sur nous, le voyage est généralement beaucoup plus difficile. L'un des développements importants que nous tentons dans cette collaboration est d'avoir les bases de base pour identifier les signatures d'exosomes qui peuvent être là très tôt avant l'apparition des symptômes ou avant qu'une maladie ne s'aggrave, " a déclaré le Dr Carlos Cordon-Cardo, Professeur et président du département de pathologie du système de santé du mont Sinaï. "En réunissant l'expertise du domaine du Mont Sinaï en matière de cancer et de pathologie avec l'expérience d'IBM en biologie des systèmes et sa dernière technologie de séparation à l'échelle nanométrique, l'espoir est de chercher spécifique, biomarqueurs sensibles dans les exosomes qui représentent une nouvelle frontière pour offrir des indices qui pourraient détenir la réponse à savoir si une personne a un cancer ou comment le traiter. »

Trier les bioparticules à l'échelle nanométrique

Les technologies de laboratoire sur puce sont devenues un outil de diagnostic incroyablement utile pour les médecins, car elles peuvent être beaucoup plus rapides, portable, facile à utiliser et nécessite moins de volume d'échantillon pour aider à détecter les maladies. L'objectif est de réduire à une seule puce de silicium tous les processus nécessaires à l'analyse d'une maladie qui seraient normalement effectués dans un laboratoire de biochimie à grande échelle.

En utilisant une technologie appelée déplacement latéral déterministe à l'échelle nanométrique, ou nano-DLD, Les scientifiques d'IBM, le Dr Joshua Smith et le Dr Benjamin Wunsch ont dirigé le développement d'une technologie de laboratoire sur puce qui permet le passage d'un échantillon liquide, en flux continu, à travers une puce de silicium contenant un réseau de piliers asymétrique. Ce réseau permet au système de trier une cascade microscopique de nanoparticules, séparer les particules par taille jusqu'à une résolution de quelques dizaines de nanomètres. IBM a déjà réduit la taille de la puce à 2 cm sur 2 cm, tout en poursuivant le développement pour augmenter la densité des appareils afin d'améliorer les fonctionnalités et le débit.

Tout comme la façon dont une route à travers un petit tunnel permet uniquement aux petites voitures de passer tout en forçant les gros camions à faire un détour, le nano-DLD utilise un ensemble de piliers pour dévier les particules plus grosses tout en permettant aux particules plus petites de s'écouler sans relâche à travers les espaces du réseau de piliers, séparant efficacement ce « trafic » de particules par taille tout en ne perturbant pas le flux. De façon intéressante, Les scientifiques d'IBM ont remarqué que les matrices de nano-DLD peuvent également diviser un mélange de nombreuses tailles de particules différentes en plusieurs flux, un peu comme un prisme divise la lumière blanche en différentes couleurs. La nature à flux continu de cette technologie évite le traitement par lots stop-and-go typique des techniques de séparation conventionnelles.

Tirant parti de la vaste expertise d'IBM en matière de semi-conducteurs et de ses capacités croissantes en biologie expérimentale, Les scientifiques d'IBM ont utilisé des processus de fabrication de silicium pour produire les matrices de nano-DLD pour leur dispositif de laboratoire sur puce. Dans le cadre de sa stratégie continue, Les chercheurs d'IBM travaillent à augmenter la diversité des bioparticules pouvant être séparées avec leur appareil, et l'amélioration de la précision et de la spécificité pour les applications cliniques du monde réel.