Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI et de l'Université de Bâle ont mis au point un test rapide pour le COVID-19. Son nouveau principe fonctionnel promet des résultats fiables et quantifiables concernant la maladie COVID-19 d'un patient et son évolution, ainsi que des preuves concernant d'autres maladies et variantes COVID qui peuvent être présentes. Cependant, avant de pouvoir être largement utilisé, il doit encore subir d'autres tests et optimisations. Les chercheurs rendent compte de leur développement dans la revue ACS Applied Nanomaterials.

Une lacune majeure des tests antigéniques rapides, comme l'a démontré une étude récente d'un groupe de recherche dirigé par Heinrich Scheiblauer de l'Institut allemand Paul Ehrlich, est leur manque de fiabilité. Sur les 122 kits de test de différents fabricants qui ont été testés pour l'étude, un cinquième a échoué et n'a même pas satisfait à l'exigence minimale d'identifier 75% des sujets testés portant une charge virale élevée comme étant positifs au coronavirus. Autre inconvénient :les tests ne disent que si le sujet est infecté ou non. Ils ne donnent aucun aperçu de l'évolution de l'infection ou de la réaction immunitaire des sujets testés.

Désormais, un nouveau test développé au PSI - qui, contrairement aux tests antigéniques, ne détecte pas directement les composants du virus, mais plutôt les anticorps que le système immunitaire produit en réponse à l'infection - promet d'apporter un pouvoir prédictif nettement plus important aux tests rapides. Il est tout aussi peu coûteux, rapide et facile à utiliser, et il peut également être utilisé pour identifier simultanément une variété d'agents pathogènes, tels que ceux responsables de la grippe. "Ainsi, il fournit également plus de données que les tests d'anticorps rapides précédents qui sont utilisés pour déterminer si quelqu'un a déjà eu une infection à coronavirus", explique Yasin Ekinci, chef du Laboratoire de nanosciences et technologies à rayons X au PSI, qui était responsable de le projet de développer le nouveau test.

Le bloc de construction central du test est une petite plaque rectangulaire de plexiglas ordinaire, semblable à une lame de microscope. Il se compose d'une couche inférieure d'un millimètre d'épaisseur et d'une couche supérieure d'une épaisseur de 0,2 millimètre. Les chercheurs ont modelé un relief dans la partie inférieure à l'aide de la lithographie par faisceau d'électrons, un procédé extrêmement précis de fraisage de matériaux solides utilisés, par exemple, dans la fabrication de puces informatiques. Une fois le modèle maître produit de cette manière, les chercheurs l'ont combiné avec la lithographie dite par nanoimpression, ce qui accélère considérablement le processus de fabrication et réduit son coût.

Microstructure multifonctionnelle

Avec la couche plus fine de plexiglas en guise de couverture, la plaque comporte désormais trois canaux parallèles à travers lesquels un fluide peut s'écouler d'un bout à l'autre. Chacun d'eux mesure 300 micromètres (0,3 millimètre) de large et 3,4 micromètres de haut à l'entrée. A la sortie, les canaux sont cinq fois plus larges mais seulement un micromètre de haut. Le long d'un tronçon intermédiaire, le canal se rétrécit à seulement quelques micromètres de large, et à un moment donné, il ne mesure que 0,8 micromètre de haut, soit environ 100 fois plus fin que les cheveux humains.

"Cette structure spéciale de canaux sert à plusieurs fins à la fois", explique Thomas Mortelmans, doctorant à l'Institut suisse de nanosciences de l'Université de Bâle et premier auteur de l'étude. Mortelmans a effectué ses recherches au Laboratoire de nanosciences et technologies à rayons X du PSI. D'une part, il assure un fort effet capillaire, comme l'action familière des tissus conduits qui transportent l'eau des racines aux cimes des arbres. Aucune pompe n'est nécessaire. La force résulte de la tension interfaciale entre le liquide et la surface solide. Il aspire pratiquement l'eau à travers les passages étroits. Exactement la même chose se produit avec les canaux du plexiglas, sauf qu'au lieu de l'eau, une gouttelette de sang coule à travers.

Ce qui est crucial pour le test, c'est un passage dans lequel la hauteur du canal passe de 3,4 micromètres à 0,8. Dans ce que les chercheurs appellent la région de capture, les particules précédemment ajoutées au sang se coincent à des endroits prédéfinis, en fonction des agents pathogènes présents dans le sang. Pour le test, explique Mortelmans, un sujet irait voir un médecin ou un centre de test. Là, une petite goutte de sang est prélevée avec une piqûre du doigt, comme dans un test de glycémie. Un liquide dans lequel des nanoparticules artificielles spéciales sont en suspension est mélangé au sang. Leur surface a la même structure que les protéines de pointe notoires du virus SARS-CoV-2, auxquelles les anticorps humains s'accrochent lors de la lutte contre la maladie. De plus, de petites particules fluorescentes sont ajoutées qui se fixent aux anticorps SARS-CoV-2 chez l'homme.

Cela signifie que s'il y a des anticorps contre le SarsCoV-2 dans le sang testé, les particules fluorescentes s'y fixent d'abord; ensemble, ils se lient alors aux structures pseudo-virales des nanoparticules nettement plus grosses et se coincent, avec elles, aux endroits prédéfinis correspondant au diamètre des nanoparticules. "C'est là que le canal mesure exactement 2,8 micromètres de haut", explique Mortelmans. Ici, les nanoparticules s'accumulent, avec les anticorps humains et leurs appendices incandescents attachés à eux. Si la plaque est placée sous un microscope à fluorescence, le signal lumineux est visible. Plus le patient a formé d'anticorps, plus il est brillant; plus le signal est clair, plus la réaction immunitaire est forte. C'est ainsi que le COVID-19 peut être clairement diagnostiqué. "De plus, vous pouvez utiliser la force du signal pour voir si le système immunitaire réagit bien et si une évolution bénigne peut être attendue, ou s'il réagit de manière excessive, ce qui signifie qu'il existe un risque de complications", explique Mortelmans.

Un test rapide avec de nombreuses possibilités

Il n'y a aucun risque que le canal soit bloqué par d'autres particules dans le sang. Les virus eux-mêmes ne mesurent qu'environ 0,12 micromètre et traversent sans résistance. Seuls les globules rouges à côté des nanoparticules sont plus gros que la partie la plus étroite du canal. "Au début de notre projet de développement, ils ont en fait causé des problèmes", explique Mortelmans. "Mais nous avons optimisé le canal pour qu'ils passent maintenant." Les chercheurs ont profité du fait que les cellules sont flexibles et compressibles :"La force capillaire est maintenant si grande qu'elle comprime les cellules sanguines à travers chaque rétrécissement du canal."

Le test ouvre encore plus de possibilités au-delà du diagnostic du COVID-19. De plus, des nanoparticules de différentes tailles et avec différentes structures de surface pourraient être mélangées dans le sang pour permettre des tests simultanés pour d'autres maladies. Dans l'étude, Mortelmans l'a fait en utilisant des particules dont la surface correspond aux virus de la grippe A. Dans les expériences, deux spots dans la région de capture se sont allumés :un pour le COVID-19 et un pour la grippe.

De plus, il est possible d'identifier différents anticorps que le système immunitaire produit à différents stades de la maladie. Par exemple, on pourrait utiliser des particules fluorescentes vertes qui ne se fixent qu'aux anticorps qui apparaissent dans la phase précoce de l'infection, et des particules fluorescentes rouges pour les anticorps produits par le système immunitaire à des stades ultérieurs. "Le test peut être étendu de plusieurs manières", explique Mortelmans. "Nous pourrions, par exemple, tester dix maladies différentes à la fois sans aucun problème et utiliser également quatre couleurs." Bien sûr, le nombre de canaux pourrait également être augmenté pour tester encore plus de variantes. En principe, les deuxième et troisième canaux ne sont là que pour confirmer le résultat du premier. Cependant, ils pourraient également être utilisés pour effectuer différents tests. "En principe, nous avons ici un système similaire à Lego, dans lequel vous pouvez combiner différents composants", explique le chef de projet Yasin Ekinci.

Les chercheurs ont commencé leurs travaux sur le nouveau test peu de temps après le début de la pandémie de coronavirus. "Nous travaillions sur un test de diagnostic pour la maladie de Parkinson à l'époque", explique Ekinci. "Lorsque la pandémie s'est installée, nous nous sommes demandé comment nous, en tant qu'institut de recherche, pouvions contribuer à la surmonter." Cependant, le développement a pris plus de temps parce que le test est si nouveau, parce que le virus était peu connu au début et parce que les échantillons de patients étaient également difficiles à obtenir.

Pour l'étude, l'appareil a été testé avec 29 échantillons de sang, dont 19 provenaient de personnes infectées et 10 de personnes non infectées. À l'exception d'un cas de faux négatif, le test était toujours correct. Cela aussi a été identifié lors du test de suivi. "Bien sûr, nous devons faire beaucoup plus de tests pour faire une déclaration solide sur la fiabilité, et il y a encore beaucoup de place pour l'amélioration. Mais c'est très prometteur", déclare Ekinci.

De plus, le test devrait devenir encore plus facile à réaliser. "Nous travaillons à rendre cela aussi facile à faire avec de la salive qu'avec du sang", rapporte Mortelmans. "Nous voulons également pouvoir utiliser une caméra de téléphone portable au lieu d'un microscope pour lire les signaux. Les appareils modernes sont désormais capables de le faire." Un tel test prend actuellement entre 10 et 30 minutes. Mais il est aussi possible de le faire en deux minutes; il est actuellement en cours d'optimisation dans ce but. "Notre vision est une technologie", déclare Ekinci, "avec laquelle nous pouvons diagnostiquer simultanément plusieurs maladies et variantes du COVID et de la grippe de manière fiable, rapide et peu coûteuse via un téléphone mobile. Notre nouveau concept est capable de faire de cela une réalité". + Explorer plus loin

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