Le chauffage doux des feuilles d'oxyde de graphène permet de lier des composés particuliers à la surface des feuilles, une nouvelle étude montre. Ces composés à leur tour sélectionnent et se lient à des molécules d'intérêt spécifiques, y compris l'ADN et les protéines, voire des cellules entières. Dans cette image, l'oxyde de graphène traité sur la droite est presque deux fois plus efficace pour capturer les cellules que le matériau non traité sur la gauche.
Une seule cellule peut contenir une mine d'informations sur la santé d'un individu. Maintenant, une nouvelle méthode développée au MIT et à l'Université nationale de Chiao Tung pourrait permettre de capturer et d'analyser des cellules individuelles à partir d'un petit échantillon de sang, potentiellement conduire à des systèmes de diagnostic à très faible coût qui pourraient être utilisés presque n'importe où.
Le nouveau système, à base de feuilles d'oxyde de graphène spécialement traitées, pourrait finalement conduire à une variété de dispositifs simples qui pourraient être produits pour aussi peu que 5 $ pièce et effectuer une variété de tests de diagnostic sensibles même dans des endroits éloignés des installations médicales typiques.
Le matériau utilisé dans cette recherche est une version oxydée de la forme bidimensionnelle de carbone pur connue sous le nom de graphène, qui fait l'objet de nombreuses recherches depuis plus d'une décennie en raison de ses caractéristiques mécaniques et électriques uniques. La clé du nouveau processus consiste à chauffer l'oxyde de graphène à des températures relativement douces. Ce recuit à basse température, comme on le sait, permet de coller des composés particuliers à la surface du matériau. Ces composés à leur tour sélectionnent et se lient à des molécules d'intérêt spécifiques, y compris l'ADN et les protéines, voire des cellules entières. Une fois capturé, ces molécules ou cellules peuvent ensuite être soumises à divers tests.
Les résultats sont rapportés dans le journal ACS Nano dans un article co-écrit par Neelkanth Bardhan, un post-doctorant MIT, et Priyank Kumar PhD '15, maintenant postdoc à l'ETH Zurich; Angèle Belcher, le professeur James Mason Crafts en génie biologique et en science et ingénierie des matériaux au MIT et membre du Koch Institute for Integrative Cancer Research; Jeffrey Grossman, le professeur Morton et Claire Goulder and Family en systèmes environnementaux au MIT; Hidde L. Ploegh, professeur de biologie et membre du Whitehead Institute for Biomedical Research; Guan Yu Chen, professeur assistant en génie biomédical à l'Université nationale Chiao Tung de Taïwan; et Zeyang Li, un étudiant au doctorat à l'Institut Whitehead.
D'autres chercheurs ont essayé de développer des systèmes de diagnostic utilisant un substrat d'oxyde de graphène pour capturer des cellules ou des molécules spécifiques, mais ces approches n'utilisaient que le brut, matériau non traité. Malgré une décennie de recherche, d'autres tentatives pour améliorer l'efficacité de ces dispositifs se sont appuyées sur des modifications externes, tels que la structuration de surface par des techniques de fabrication lithographiques, ou en ajoutant des canaux microfluidiques, qui ajoutent au coût et à la complexité. La nouvelle découverte offre un produit de masse, approche à faible coût pour parvenir à de telles améliorations de l'efficacité.
Le processus de chauffage modifie les propriétés de surface du matériau, provoquant le regroupement des atomes d'oxygène, laissant des espaces de graphène nu entre eux. Cela rend relativement facile d'attacher d'autres produits chimiques à la surface, qui peuvent interagir avec des molécules d'intérêt spécifiques. La nouvelle recherche démontre comment ce processus de base pourrait potentiellement permettre une suite de systèmes de diagnostic à faible coût, par exemple pour le dépistage du cancer ou le suivi du traitement.
Pour ce test de validation de principe, l'équipe a utilisé des molécules capables de capturer rapidement et efficacement des cellules immunitaires spécifiques qui sont des marqueurs de certains cancers. Ils ont pu démontrer que leurs surfaces d'oxyde de graphène traitées étaient presque deux fois plus efficaces pour capturer ces cellules du sang total, par rapport aux appareils fabriqués en utilisant ordinaire, oxyde de graphène non traité, dit Bardhan, l'auteur principal du journal.
Le système présente également d'autres avantages, dit Bardhan. Il permet une capture et une évaluation rapides des cellules ou des biomolécules dans des conditions ambiantes en 10 minutes environ et sans avoir besoin de réfrigérer les échantillons ou les incubateurs pour un contrôle précis de la température. Et l'ensemble du système est compatible avec les méthodes de fabrication à grande échelle existantes, permettant de produire des appareils de diagnostic à moins de 5 $ pièce, l'équipe estime. De tels dispositifs pourraient être utilisés dans des tests au point de service ou dans des environnements à ressources limitées.
Les méthodes existantes de traitement de l'oxyde de graphène pour permettre la fonctionnalisation de la surface nécessitent des traitements à haute température ou l'utilisation de produits chimiques agressifs, mais le nouveau système, que le groupe a breveté, ne nécessite aucun prétraitement chimique et une température de recuit de seulement 50 à 80 degrés Celsius (122 à 176 F).
Alors que la méthode de traitement de base de l'équipe pourrait permettre une grande variété d'applications, y compris les cellules solaires et les dispositifs électroluminescents, pour ce travail, les chercheurs se sont concentrés sur l'amélioration de l'efficacité de la capture des cellules et des biomolécules qui peuvent ensuite être soumises à une série de tests. Ils l'ont fait en enrobant par voie enzymatique la surface d'oxyde de graphène traitée avec des peptides appelés nanobodies - des sous-unités d'anticorps, qui peuvent être produits à moindre coût et facilement en grandes quantités dans des bioréacteurs et sont hautement sélectifs pour des biomolécules particulières.
Les chercheurs ont découvert que l'augmentation du temps de recuit augmentait régulièrement l'efficacité de la capture cellulaire :après neuf jours de recuit, l'efficacité de la capture des cellules du sang total est passée de 54 %, pour l'oxyde de graphène non traité, à 92 pour cent pour le matériau traité.
L'équipe a ensuite effectué des simulations de dynamique moléculaire pour comprendre les changements fondamentaux de la réactivité du matériau de base d'oxyde de graphène. Les résultats de la simulation, que l'équipe a également vérifié expérimentalement, suggéré que lors du recuit, la fraction relative d'un type d'oxygène (carbonyle) augmente aux dépens des autres types de groupes fonctionnels oxygène (époxy et hydroxyle) en raison du regroupement de l'oxygène. Ce changement rend le matériau plus réactif, ce qui explique la densité plus élevée d'agents de capture cellulaire et l'efficacité accrue de la capture cellulaire.
"L'efficacité est particulièrement importante si vous essayez de détecter un événement rare, " Belcher dit. " Le but de ceci était de montrer une haute efficacité de capture. " La prochaine étape après cette preuve de concept de base, elle dit, est d'essayer de créer un détecteur fonctionnel pour un modèle de maladie spécifique.
En principe, Bardhan dit, de nombreux tests différents pourraient être intégrés sur un seul appareil, le tout pouvant être placé sur une petite lame de verre comme celles utilisées pour la microscopie.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
