Les capteurs électrochimiques portatifs font partie de la routine quotidienne de millions de personnes atteintes de diabète dans le monde qui surveillent leur glycémie à l'aide de glucomètres électriques. Alors que de tels capteurs ont révolutionné les tests médicaux à domicile pour les diabétiques, ils n'ont pas encore été appliqués avec succès au diagnostic d'autres conditions. Des capteurs comme les glucomètres détectent le glucose dans le sang en fonction de l'activité d'une enzyme, et il n'y a qu'un nombre limité d'enzymes qui peuvent être utilisées pour détecter les biomarqueurs de la maladie humaine. Une stratégie de détection alternative basée sur des événements de liaison entre les anticorps et leurs cibles moléculaires a été étudiée pour étendre l'utilisation des capteurs électrochimiques pour la médecine, mais ces capteurs sont victimes de l'accumulation rapide de substances « encrassantes » des fluides biologiques sur leurs surfaces conductrices, qui les désactivent. Les revêtements antifouling existants sont difficiles à fabriquer en série, souffrent de problèmes de qualité et de cohérence, et ne sont pas très efficaces.

Maintenant, une nouvelle technologie de plate-forme de diagnostic développée par des chercheurs du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l'Université Harvard, connue sous le nom de « eRapid », permet la création de solutions à faible coût, dispositifs électrochimiques portables capables de détecter simultanément une large gamme de biomarqueurs avec une sensibilité et une sélectivité élevées dans des fluides biologiques complexes, en utilisant aussi peu qu'une seule goutte de sang. La technologie est décrite dans le dernier numéro de Nature Nanotechnologie .

"Tant qu'un anticorps existe pour une molécule cible donnée, eRapid peut le détecter, " a déclaré le co-auteur Pawan Jolly, Doctorat., un chercheur scientifique principal au Wyss Institute. "En résolvant le problème du biofouling avec une conception simple mais robuste, nous sommes désormais en mesure de produire facilement en masse des capteurs biochimiques pour une grande variété d'applications à faible coût."

Le défi du développement du revêtement antisalissure était d'empêcher l'accumulation de substances non ciblées sur les électrodes métalliques du capteur tout en maintenant leur conductivité pour permettre la détection de la cible. Après avoir expérimenté diverses recettes, l'équipe de recherche a développé un poreux, Matrice 3-D constituée de sérum albumine bovine (BSA) réticulée avec du glutaraldéhyde et supportée par un réseau de nanomatériaux conducteurs, tels que les nanofils d'or ou les nanotubes de carbone. La petite taille des pores de la matrice BSA exclut les protéines présentes dans le sang et le plasma, et la faible charge négative du BSA empêche la forte adhérence des biomolécules chargées positivement sur le capteur.

Lorsque les chercheurs ont testé leurs capteurs recouverts de nanomatériaux dans le sérum et le plasma sanguins humains, ils ont conservé plus de 90 % de leur capacité à détecter le signal même après avoir été stockés pendant un mois dans ces biofluides, alors que les capteurs revêtus des meilleurs revêtements anti-salissures précédemment publiés ont perdu une sensibilité significative au signal lorsqu'ils ont été incubés pendant une heure, et ont été complètement inactivés après un jour.

Pour fonctionnaliser les capteurs enrobés, les chercheurs ont attaché des anticorps à la surface du revêtement de nanomatériau au-dessus de l'électrode, et utilisé un "test sandwich" pour convertir l'événement de liaison de l'anticorps en un signal chimique qui précipite sur la surface de l'électrode, générant ainsi un signal électrique. L'amplitude du signal électrique est directement corrélée à la quantité de précipité produit, et donc au nombre de molécules cibles liées aux anticorps, permettant de mesurer la concentration de la cible.

L'équipe a démontré l'utilité commerciale de cette approche en créant un capteur multiplexé avec trois électrodes distinctes, chacun recouvert de la matrice de nanofils BSA/or et d'une couche d'anticorps contre une molécule cible cliniquement pertinente spécifique :l'interleukine 6 (IL6), insuline, ou du glucagon. Lorsqu'ils ont incubé le capteur avec les molécules cibles respectives dans du plasma humain non dilué, ils ont observé d'excellents signaux électriques avec une sensibilité au picogramme par ml. Inversement, les électrodes revêtues d'un revêtement antisalissure "PEG-SAM" publié n'ont pas réussi à produire des signaux distincts, indiquant qu'ils avaient été irréversiblement encrassés par des molécules non ciblées dans des échantillons de plasma humain. En outre, les capteurs revêtus de BSA/nanofil d'or peuvent être lavés et réutilisés plusieurs fois avec une perte de signal minimale, permettant une surveillance en série des biomarqueurs facilement et à faible coût.

Depuis, l'équipe Wyss a pu détecter plus d'une dizaine de biomarqueurs différents allant de 100 Da à 150, en taille 000 Da avec eRapid, et ils continuent d'expérimenter des nanomatériaux conducteurs pour optimiser le revêtement des électrodes et les performances du système, ainsi que de réduire encore plus les coûts. Ils explorent activement les options de commercialisation d'eRapid dans le domaine des diagnostics portables au point de service, mais aussi espérer étendre la plateforme technologique des revêtements et capteurs à d'autres cibles et contextes, y compris les diagnostics hospitaliers, détection de toxines environnementales, détection de petites molécules, et les dispositifs médicaux implantables.

De façon intéressante, l'équipe, dirigée par le directeur fondateur du Wyss Institute, Donald Ingber, MARYLAND., doctorat - ne s'est pas initialement fixé cet objectif en tête. Ce travail a commencé parce qu'ils devaient détecter simultanément plusieurs biomolécules produites par divers types de cellules tissulaires se développant dans des organes sur puce humains afin d'évaluer de manière non invasive leur fonction et leur état inflammatoire au fil du temps. Le petit volume de liquide sortant des canaux des puces nécessitait des capteurs très sensibles qui pouvaient également être multiplexés, qui a conduit à la création de la technologie actuelle.

« eRapid est né de la poursuite d'une innovation qui a conduit à une autre qui a le potentiel de transformer les diagnostics médicaux. Espérons que, cette technologie simple permettra de grands progrès dans notre capacité à développer des appareils de diagnostic portables qui peuvent être utilisés à la maison, ainsi qu'en pharmacie, ambulances, cabinets médicaux, et les urgences dans un futur proche, " a déclaré Ingber qui est également le professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et le programme de biologie vasculaire du Boston Children's Hospital, et professeur de bio-ingénierie à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences de Harvard.