Les chercheurs ont montré que la plasmonique peut améliorer les marqueurs fluorescents utilisés pour signaler des échantillons positifs dans certains types de tests de dépistage de maladies. Un revêtement de brosse en polymère éloigne les biomolécules indésirables tandis qu'un anticorps de capture (rouge) attrape les biomarqueurs de la maladie (clair). Un anticorps de détection (bleu) s'accroche ensuite au biomarqueur et émet de la lumière à partir d'un fluorophore attaché (sphère). Tout cela est pris en sandwich par une fine couche d'or et un nanocube d'argent qui est attaché par un troisième anticorps (vert), créant des conditions pour que le fluorophore émette une lumière plus brillante. Crédit :Daniela Cruz, université de Duke
Des ingénieurs de l'Université Duke ont montré que les cubes d'argent nanométriques peuvent faciliter la lecture des tests de diagnostic reposant sur la fluorescence en les rendant plus de 150 fois plus lumineux. Combiné à une plate-forme émergente de diagnostic au point de service déjà démontrée capable de détecter de petites traces de virus et d'autres biomarqueurs, l'approche pourrait permettre à ces tests de devenir beaucoup moins chers et plus répandus.
Les résultats sont parus en ligne le 6 mai dans la revue Lettres nano .
La plasmonique est un domaine scientifique qui piège l'énergie dans une boucle de rétroaction appelée plasmon à la surface de nanocubes d'argent. Lorsque des molécules fluorescentes sont prises en sandwich entre l'un de ces nanocubes et une surface métallique, l'interaction entre leurs champs électromagnétiques amène les molécules à émettre de la lumière beaucoup plus vigoureusement. Maiken Mikkelsen, le James N. et Elizabeth H. Barton professeur agrégé de génie électrique et informatique à Duke, travaille avec son laboratoire à Duke pour créer de nouveaux types de caméras hyperspectrales et de signaux optiques ultrarapides utilisant la plasmonique depuis près d'une décennie.
À la fois, chercheurs du laboratoire d'Ashutosh Chilkoti, le professeur distingué Alan L. Kaganov de génie biomédical, ont travaillé sur un système autonome, test de diagnostic au point de service qui peut détecter des traces de biomarqueurs spécifiques à partir de fluides biomédicaux tels que le sang. Mais parce que les tests reposent sur des marqueurs fluorescents pour indiquer la présence des biomarqueurs, voir la faible lumière d'un test à peine positif nécessite un équipement coûteux et encombrant.
"Nos recherches ont déjà montré que la plasmonique peut améliorer la luminosité des molécules fluorescentes des dizaines de milliers de fois, " a déclaré Mikkelsen. " L'utiliser pour améliorer les tests de diagnostic qui sont limités par leur fluorescence était clairement une idée très excitante. "
"Il n'y a pas beaucoup d'exemples de personnes utilisant la fluorescence améliorée par plasmon pour les diagnostics au point de service, et les rares qui existent n'ont pas encore été mis en œuvre dans la pratique clinique, " a ajouté Daria Semeniak, un étudiant diplômé du laboratoire de Chilkoti. "Ça nous a pris quelques années, mais nous pensons avoir développé un système qui peut fonctionner."
Dans le nouveau journal, les chercheurs du laboratoire de Chilkoti construisent leur plate-forme de diagnostic ultrasensible appelée le test D4 sur une fine couche d'or, le yin préféré au yang du nanocube d'argent plasmonique. La plate-forme commence par une fine couche de revêtement de brosse polymère, ce qui empêche quoi que ce soit de coller à la surface d'or que les chercheurs ne veulent pas y coller. Les chercheurs utilisent ensuite une imprimante à jet d'encre pour attacher deux groupes de molécules conçues pour s'accrocher au biomarqueur que le test tente de détecter. Un ensemble est attaché de façon permanente à la surface d'or et attrape une partie du biomarqueur. L'autre est lavé de la surface une fois le test commencé, s'attache à un autre morceau du biomarqueur, et clignote pour indiquer qu'il a trouvé sa cible.
Après quelques minutes pour permettre aux réactions de se produire, le reste de l'échantillon est emporté, ne laissant derrière elles que les molécules qui ont réussi à trouver leurs biomarqueurs correspondants, flottant comme des balises fluorescentes attachées à un sol doré.
Un chercheur détient une version test du test D4, qui s'est avéré capable de détecter des traces de biomarqueurs de la maladie. Crédit :Michaela Kane, université de Duke
« La véritable signification de l'essai est le revêtement de la brosse en polymère, " a déclaré Chilkoti. " La brosse en polymère nous permet de stocker tous les outils dont nous avons besoin sur la puce tout en conservant un design simple. "
Alors que le test D4 est très efficace pour saisir de petites traces de biomarqueurs spécifiques, s'il n'y a que des traces, les balises fluorescentes peuvent être difficiles à voir. Le défi pour Mikkelsen et ses collègues était de placer leurs nanocubes d'argent plasmonique au-dessus des balises de manière à suralimenter la fluorescence des balises.
Mais comme c'est généralement le cas, c'était plus facile à dire qu'à faire.
"La distance entre les nanocubes d'argent et le film d'or dicte à quel point la molécule fluorescente devient plus lumineuse, " a déclaré Daniela Cruz, un étudiant diplômé travaillant dans le laboratoire de Mikkelsen. "Notre défi était de rendre le revêtement de la brosse en polymère suffisamment épais pour capturer les biomarqueurs - et uniquement les biomarqueurs d'intérêt - mais suffisamment fin pour encore améliorer les lumières de diagnostic."
Les chercheurs ont tenté deux approches pour résoudre cette énigme Boucle d'or. Ils ont d'abord ajouté une couche électrostatique qui se lie aux molécules détectrices qui portent les protéines fluorescentes, créant une sorte de "deuxième étage" sur lequel les nanocubes d'argent pourraient s'asseoir. Ils ont également essayé de fonctionnaliser les nanocubes d'argent afin qu'ils collent directement aux molécules de détection individuelles sur une base individuelle.
Alors que les deux approches ont réussi à augmenter la quantité de lumière provenant des balises, le premier a montré la meilleure amélioration, augmentant sa fluorescence de plus de 150 fois. Cependant, cette méthode nécessite également une étape supplémentaire de création d'un "deuxième étage, " ce qui ajoute un autre obstacle à l'ingénierie d'un moyen de faire fonctionner ce diagnostic sur un point de service commercial plutôt que seulement dans un laboratoire. Et bien que la fluorescence ne s'améliore pas autant dans la deuxième approche, la précision du test a fait.
« Construire des dispositifs de laboratoire sur puce microfluidiques selon l'une ou l'autre approche prendrait du temps et des ressources, mais ils sont tous les deux faisables en théorie, " dit Cassio Fontes, un étudiant diplômé du laboratoire Chilkoti. "C'est vers cela que se dirige le test D4."
Et le projet avance. Plus tôt dans l'année, les chercheurs ont utilisé les résultats préliminaires de cette recherche pour obtenir une période de cinq ans, Bourse de recherche R01 de 3,4 millions de dollars du National Heart, Poumon, et l'Institut du sang. Les collaborateurs travailleront à optimiser ces rehaussements de fluorescence tout en intégrant des puits, canaux microfluidiques et autres solutions à faible coût dans un appareil de diagnostic en une seule étape qui peut exécuter toutes ces étapes automatiquement et être lu par une caméra de smartphone commune dans un appareil à faible coût.
"L'un des grands défis des tests au point de service est la capacité de lire les résultats, qui nécessite généralement des détecteurs très coûteux, " a déclaré Mikkelsen. "C'est un obstacle majeur à la mise en place de tests jetables permettant aux patients de surveiller les maladies chroniques à domicile ou à utiliser dans des milieux à faibles ressources. Nous voyons cette technologie non seulement comme un moyen de contourner ce goulot d'étranglement, mais aussi comme un moyen d'améliorer la précision et le seuil de ces dispositifs de diagnostic."
