La difficulté à repérer des quantités infimes de maladies circulant dans le sang s'est avérée être une pierre d'achoppement dans la détection et le traitement des cancers qui progressent furtivement avec peu de symptômes. Avec un nouveau dispositif de biodétection électrochimique qui identifie les plus petits signaux émis par ces biomarqueurs, une paire d'inventeurs NJIT espère combler cet écart.

Leur travail dans la détection des maladies est une illustration de la puissance de la détection électrique et du rôle croissant des ingénieurs dans la recherche médicale.

"Idéalement, il y aurait un simple, test peu coûteux - effectué lors d'une visite régulière du patient en l'absence de symptômes spécifiques - pour dépister certains des plus silencieux, cancers mortels, " dit Bharat Babu Nunna, un doctorat récent. diplômé qui a travaillé avec Eon Soo Lee, professeur assistant en génie mécanique, développer une biopuce améliorée par les nanotechnologies pour détecter les cancers, le paludisme et les maladies virales telles que la pneumonie au début de leur progression avec un test sanguin par piqûre d'épingle.

Leur dispositif comprend un canal microfluidique à travers lequel une infime quantité de sang prélevé passe devant une plate-forme de détection recouverte d'agents biologiques qui se lient à des biomarqueurs ciblés de la maladie dans les fluides corporels tels que le sang, des larmes et de l'urine, déclenchant ainsi un nanocircuit électrique qui signale leur présence.

Dans une recherche publiée récemment dans Nano-couverture , Nunna et ses co-auteurs ont démontré l'utilisation de nanoparticules d'or pour améliorer la réponse au signal du capteur de leur appareil dans la détection du cancer, entre autres découvertes.

L'une des principales innovations de l'appareil est la capacité de séparer le plasma sanguin du sang total dans ses canaux microfluidiques. Le plasma sanguin porte les biomarqueurs de la maladie et il est donc nécessaire de le séparer pour améliorer le "rapport signal sur bruit" afin d'obtenir un test très précis. L'appareil autonome analyse un échantillon de sang en deux minutes sans avoir besoin d'équipement externe.

"Notre approche détecte les biomolécules de maladies ciblées à l'échelle femto, qui est plus petit que l'échelle nano et même pico, et s'apparente à la recherche d'une planète dans un amas de galaxies. La technologie de détection actuelle est limitée à des concentrations mille fois plus importantes. L'utilisation d'une plateforme à l'échelle nanométrique nous permet d'identifier ces niveaux inférieurs de maladie, " Nunna dit, ajouter, "Et en séparant le plasma du sang, nous sommes en mesure de concentrer les biomarqueurs de la maladie."

Dans un autre article récent de BioNanoScience , Nonna, Lee et leurs co-auteurs ont détaillé leurs découvertes sur les variations de sensibilité basées sur le flux microfluidique.

Nunna est maintenant chercheuse postdoctorale à la Harvard Medical School, où il développe son expertise dans les plateformes microfluidiques, en les utilisant dans des recherches sur les organes sur puce menées avec Su Ryon Shin, chercheur principal et instructeur au département de médecine de la faculté de médecine qui développe des organoïdes bio-imprimés en 3D - des organes artificiels composés de cellules cultivées dans des hydrogels structurés - pour l'expérimentation médicale.

"Je suis principalement responsable du développement des dispositifs microfluidiques qui automatiseront le processus de bio-impression d'organes 3D qui seront incorporés sur une puce à plusieurs fins. par exemple, avec le développement d'une plate-forme automatisée pour l'efficacité à long terme des médicaments et l'analyse de la toxicité pour suivre le cancer du foie et les biomarqueurs cardiaques. J'intégrerai le biocapteur microfluidique au modèle de cancer du foie et de cœur sur puce pour une surveillance continue, " il dit.

En mesurant les concentrations de biomarqueurs sécrétées par les organes bio-imprimés en 3-D injectés, nous pouvons étudier les effets des médicaments sur plusieurs organes sans nuire à un patient vivant. Créer des organes artificiels nous permet d'expérimenter librement."

En bas de la route, il ajoute, les travaux de Harvard pourraient potentiellement être appliqués en médecine régénérative. "L'objectif est de développer des organoïdes bio-imprimés en 3D entièrement fonctionnels et des tissus en 3D cliniquement pertinents pour résoudre le problème de la pénurie de donneurs en transplantation."

Nunna dit que ses recherches à la Harvard Medical School élargiront sa connaissance de la microfluidique programmable et des techniques de détection électrochimiques précises, ce qui l'aidera à son tour à faire progresser sa technologie de biopuce. Le but est simple, test standard pour le diagnostic du cancer qui évite les tests conventionnels, étapes diagnostiques complexes.

Lee et Nunna ont travaillé avec des oncologues du Weill Cornell Medicine et du Hackensack Medical Center pour identifier des applications cliniques. Tel qu'il est actuellement conçu, le dispositif fournirait des résultats à la fois qualitatifs et quantitatifs d'antigènes cancéreux dans des échantillons de sang, fournir des informations sur la présence et la gravité du cancer. Leur prochaine étape, il dit, sera d'étendre la plate-forme pour détecter plusieurs maladies à l'aide d'un seul échantillon de sang obtenu par piqûre d'épingle.

« Bien que la technologie de la santé soit considérée comme une technologie en évolution rapide, il reste encore de nombreux besoins non satisfaits auxquels il faut répondre. Le diagnostic précoce des maladies potentiellement mortelles est la clé pour sauver des vies et améliorer les résultats du traitement des patients, " il dit, ajouter, « Il y a un énorme besoin de technologie de la santé, y compris une plate-forme de diagnostic universelle qui peut fournir des résultats instantanés au cabinet du médecin et dans d'autres lieux de soins."

Nunna est la co-fondatrice et chercheuse en chef d'Abonics, Inc., une startup formée par Lee pour commercialiser leur appareil. Il est nommé co-inventeur avec Lee sur trois brevets publiés sur les biopuces et six brevets supplémentaires qui sont actuellement en cours d'examen par l'Office américain des brevets et des marques. Leur technologie a obtenu le soutien financier du programme I-Corps de la National Science Foundation et de la New Jersey Health Foundation (NJHF), une société à but non lucratif qui soutient les meilleurs programmes de recherche biomédicale et d'éducation liée à la santé dans le New Jersey.

"Comme nous le savons, la détection précoce peut améliorer considérablement les résultats du traitement pour les patients, " a expliqué George F. Heinrich, MARYLAND., vice-président et PDG de NJHF, en annonçant le prix. "Actuellement, les médecins s'appuient sur des dispositifs de diagnostic nécessitant un minimum de quatre heures de préparation d'échantillons via des centres de diagnostic centralisés plutôt que leurs bureaux locaux. »

En 2017, Nunna a reçu le prix du "Best Design in Healthcare Innovations and Point-of-Care Innovations Award" lors de la conférence Healthcare Innovation and Point-of-Care Technologies de la Engineering in Medicine and Biology Society, tenue au siège de l'Institut national de la santé à Bethesda, MARYLAND. Cette même année, la technologie a reçu le prix national de l'innovation au TechConnect World Innovation Conference and Expo, un rassemblement annuel des bureaux de transfert de technologie, entreprises, et des sociétés d'investissement qui se réunissent pour identifier des technologies prometteuses à travers le monde.