Les propriétés uniques de la feuille de carbone d'une épaisseur d'atome, connue sous le nom de graphène, ont permis à un nouveau biocapteur multiplexé de la taille d'un sou qui est le premier à détecter les sous-produits opioïdes dans les eaux usées, une équipe de chercheurs du Boston College, de l'Université de Boston et de Giner Rapport des laboratoires dans la dernière édition en ligne de la revue ACS Nano .

Le nouvel appareil est le premier à utiliser des transistors à effet de champ à base de graphène pour détecter simultanément quatre opioïdes synthétiques et naturels différents, tout en les protégeant des éléments agressifs des eaux usées. Lorsqu'un métabolite opioïde spécifique se fixe à une sonde moléculaire sur le graphène, il modifie la charge électrique sur le graphène. Ces signaux sont facilement lus électroniquement pour chaque sonde connectée à l'appareil.

"Ce nouveau capteur que nous avons développé est capable de mesurer rapidement, à moindre coût et facilement les opioïdes dans les eaux usées", a déclaré Kenneth Burch, professeur de physique au Boston College, l'un des principaux auteurs du rapport. "Sa sensibilité et sa portabilité permettraient une épidémiologie basée sur les eaux usées à l'échelle locale, aussi spécifique que bloc par bloc ou dortoir par dortoir, tout en garantissant la confidentialité."

Le dispositif répond à un défi principal de l'épidémie d'opioïdes :déterminer la quantité et le type de drogues utilisées dans une communauté. Les problèmes de confidentialité et les ressources limitées sont des obstacles au test de grandes populations. Une approche alternative est l'épidémiologie basée sur les eaux usées, similaire au test des eaux usées pour mesurer les niveaux communautaires d'infection à coronavirus pendant la pandémie.

"Le test des eaux usées est une stratégie émergente qui peut vaincre les limites et la stigmatisation associées au dépistage individuel des drogues, et il fournit une mesure plus objective de la consommation de drogues au niveau du quartier", a déclaré Avni Argun, vice-président de Giner Labs pour les matériaux avancés, co-directeur de le projet. "Alors que les tests sur les eaux usées ont été largement menés en Europe, seules quelques études existent aux États-Unis. La nature rapide et portable de l'appareil de l'équipe permettrait des tests de population à grande échelle à faible coût et à haute résolution géographique."

Le travail de l'équipe d'Argun à Giner Labs, à Newton, Mass., est financé par le National Institute on Drug Abuse des NIH, qui travaille avec des chercheurs pour développer des outils de ville intelligente qui aideraient les programmes de surveillance de la santé publique à lutter contre la consommation et l'abus de drogues. Un financement supplémentaire pour le projet est venu de la National Science Foundation, des National Institutes of Health et de l'Office of Naval Research.

Le prototype de l'équipe pourrait fournir un outil moins cher et plus rapide à utiliser par les responsables de la santé publique qui tentent de déterminer le niveau d'utilisation d'opioïdes et l'impact des interventions de traitement à l'échelle de la communauté.

Alors que le graphène a déjà été utilisé pour détecter des échantillons biologiques, le travail de l'équipe est la première démonstration que le matériau pourrait être utilisé avec des eaux usées, a déclaré Burch.

En outre, il s'agit de la première démonstration de l'utilisation de transistors à effet de champ à base de graphène, un dispositif électronique pour lire la quantité de charge, pour détecter plusieurs cibles en même temps, selon le rapport.

La percée a été rendue possible par la conception et la mise en œuvre de la plate-forme GEMS (capteur électronique multiplexé au graphène), a déclaré Burch. La plate-forme permet de détecter simultanément quatre molécules cibles différentes, tout en les protégeant des éléments agressifs des eaux usées, dont des échantillons ont été fournis par le Mass. Alternative Septic System Test Center (MASSTC) à Cape Cod.

L'équipe a équipé les sondes de graphène d'« aptamères », des brins d'ADN conçus pour se fixer uniquement à une molécule spécifique, dans ce cas, des métabolites de divers opioïdes dans les eaux usées. Lorsque l'aptamère se fixe au médicament, il se plie, apportant plus de charge au graphène. La quantité de charge sur le graphène est surveillée pour détecter la présence d'un métabolite opioïde spécifique, a déclaré Burch.

"Ces aptamères étaient attachés à nos appareils à graphène et lors du piégeage du médicament, la charge induite sur le graphène était lue électroniquement", a déclaré Burch. "Notre processus de fabrication et notre conception ont abouti à une limite inférieure de détection d'un ordre de grandeur supérieur aux rapports précédents par d'autres méthodes."

Les outils d'échantillonnage antérieurs étaient limités car ils nécessitaient l'expédition d'échantillons et des tests en laboratoire. Ces exigences imposent des coûts qui limitent l'adoption et l'utilisation à grande échelle dans les communautés sans ressources suffisantes. En surmontant ces limites, le dispositif au graphène peut fournir une surveillance presque en temps réel à plusieurs endroits, ce qui pourrait également aider à distribuer des ressources telles que les premiers intervenants ou des stratégies d'intervention spécifiques, a déclaré Burch.

"C'est le premier capteur de ce type capable d'y parvenir avec une configuration aussi simple et facile à utiliser :une seule plate-forme GEMS équivaut à un centime", a ajouté Burch.

Le succès de GEMS est le résultat d'une collaboration à long terme dirigée par Burch, réunissant l'expertise en ADN du professeur associé de biologie du Boston College Tim van Opijnen, la culture du graphène par le chimiste de l'Université de Boston Xi Ling et l'expertise en développement d'essais de biocapteurs d'Argun et de scientifiques de Laboratoires Giner.

Parmi les autres chercheurs du projet figuraient l'étudiant diplômé du Boston College Michael Geiwitz, le chercheur scientifique Narendra Kumar, le premier cycle Matthew Catalan et le chercheur postdoctoral Juan C. Ortiz-Marquez; Muhit Rana, Niazul Islam Khan, Andrew Weber et Badawi Dweik de Giner Labs; et l'étudiant diplômé de BU Hikari Kitadai.

Burch a déclaré que l'équipe était surprise de la capacité de l'appareil à résister à l'environnement hostile des eaux usées. Il a déclaré que son laboratoire travaillait avec Giner Labs dans le cadre du financement de la recherche sur l'innovation dans les petites entreprises (SBIR) du NIDA pour développer les appareils en vue d'une éventuelle utilisation commerciale.

"Nous travaillons également pour voir à quoi d'autre la plate-forme peut être utilisée, comme le test rapide à domicile des infections virales et/ou la présence d'agents pathogènes dans les eaux usées", a déclaré Burch. + Explorer plus loin

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