Au cours des quatre dernières années, beaucoup d’entre nous se sont habitués à un prélèvement nasal pour tester le COVID-19, en utilisant des tests antigéniques rapides à domicile ou des tests PCR plus précis fournis en clinique avec un temps de traitement plus long. Désormais, un nouvel outil de diagnostic développé par Holger Schmidt, professeur émérite de génie électrique et informatique de l'UC Santa Cruz, et ses collaborateurs peuvent tester le SRAS-CoV-2 et le virus Zika avec une précision identique ou supérieure à celle des tests PCR de haute précision en quelques heures. .
Dans un article paru dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences , Schmidt et l'équipe du projet décrivent leur système, qui combine l'optofluidique et la technologie des nanopores pour créer un système de diagnostic de laboratoire sur puce. Le succès de l'équipe avec les modèles animaux leur donne l'espoir que cette technologie pourrait constituer une innovation majeure pour l'avenir du diagnostic rapide.
"Cela pourrait devenir le prochain grand système de diagnostic", a déclaré Aaron Hawkins, professeur de génie électrique et informatique à l'université Brigham Young et auteur principal de l'article. "Vous tombez malade, vous allez à l'hôpital ou chez le médecin, et leurs tests s'appuient sur cette technologie. Il existe une voie où cela pourrait être installé sur place [dans un hôpital ou une clinique], de sorte que vous n'auriez pas à attendre pour obtenir votre résultats."
Cette recherche est le résultat d'une collaboration de longue date entre Schmidt, Hawkins et le professeur Jean Patterson du Texas Biomedical Research Institute.
Bien que le test PCR soit actuellement la référence en matière de précision pour les tests virologiques, la méthode présente des lacunes à plusieurs égards. Les tests PCR sont très complexes et nécessitent des réactions chimiques qui doivent être effectuées par des opérateurs qualifiés, généralement dans un laboratoire central, ce qui prend parfois plusieurs jours pour obtenir les résultats des tests. Ces réactions complexes sont nécessaires à l'amplification de l'ADN ou de l'ARN viral, un processus de création de copies multiples du matériel génétique qui peut introduire et amplifier des erreurs.
Les tests PCR ne peuvent également détecter que les acides nucléiques, le matériel qui constitue l’ADN et l’ARN. Mais dans le cas de certaines maladies, il peut s'avérer extrêmement utile de détecter d'autres biomarqueurs tels que les protéines.
Le nouvel outil de diagnostic résout ces deux problèmes. Il nécessite peu de préparation d’échantillon et est totalement sans amplification ni marquage, ce dernier signifiant qu’il n’utilise pas de lumière pour identifier les biomarqueurs. Cela réduit considérablement le temps et la complexité du processus de diagnostic.
"Le potentiel est énorme", a déclaré Patterson. "L'idée selon laquelle il n'est pas nécessaire d'amplifier pour obtenir des résultats précis constitue une avancée considérable, à l'image de la façon dont la PCR représentait un pas en avant incroyable lors de sa sortie."
Le nouveau système de diagnostic combine le domaine d'expertise de Schmidt en optofluidique, qui est le contrôle de petites quantités de fluides avec des faisceaux de lumière, avec un nanopore permettant de compter les acides nucléiques uniques afin de lire le matériel génétique. L'outil a été conçu pour tester les virus Zika et COVID-19, qui ont été particulièrement pertinents sur le plan médical ces dernières années et qui constituent des domaines prioritaires pour les National Institutes of Health.
"Nous avons construit un système simple de laboratoire sur puce capable d'effectuer des tests à un niveau miniature à l'aide de technologies microfluidiques, de puces de silicium et de détection de nanopores", a déclaré Mohammad Julker Neyen Sampad, étudiant diplômé de Schmidt et premier du journal. auteur. "Notre objectif était de développer des outils simples, faciles et nécessitant peu de ressources, et je pense que nous y sommes parvenus."
Pour exécuter le test, un échantillon de biofluide est mélangé dans un récipient contenant des microbilles magnétiques. Pour cette étude, les chercheurs ont utilisé des biofluides, notamment de la salive et du sang de babouins et de ouistitis du Texas Biomedical Research Institute.
Les microbilles sont conçues avec une séquence d’ARN correspondant à la maladie pour laquelle le test est conçu pour détecter. Par exemple, s’il s’agit d’un test de détection du COVID-19, les microbilles contiendront des brins d’ARN du SRAS-CoV-2. Si le virus SARS-CoV-2 est présent dans l’échantillon, l’ARN du virus se liera aux billes. Après une brève période d'attente, le chercheur tire les billes magnétiques jusqu'au fond du récipient et lave tout le reste.
Les billes sont placées dans une puce microfluidique en silicium conçue et fabriquée par le groupe Hawkins, où elles circulent à travers un long et mince canal recouvert d'une membrane ultra-mince, dont Hawkins qualifie la conception de "miracle d'ingénierie". Les billes sont capturées par un faisceau lumineux qui les pousse contre une paroi du canal, qui contient un nanopore, une minuscule ouverture de seulement 20 nanomètres de diamètre. À titre de comparaison, un cheveu humain mesure environ 80 000 à 100 000 nanomètres de large.
Les chercheurs appliquent de la chaleur à la puce, ce qui fait que les particules d'ARN se détachent des billes et sont aspirées dans le nanopore, qui détecte la présence de l'ARN du virus.
Leurs essais ont montré que le test détectait correctement le virus pour chaque échantillon que le test PCR était capable de détecter, même à des concentrations extrêmement faibles de virus. Il y a eu des cas dans lesquels le test PCR n'a pas pu détecter un cas d'un des virus alors que le système de Schmidt l'a fait, ce qui montre que leur système peut être plus précis que la PCR.
Dans l’ensemble, le système microfluidique est beaucoup plus petit et moins complexe qu’un appareil PCR. Si ce concept est commercialisé en tant que produit, sa taille compacte pourrait facilement s'intégrer dans un laboratoire de recherche, permettant des résultats beaucoup plus rapides pour les tests virologiques, augmentant l'accessibilité des tests et accélérant l'obtention des résultats de quelques jours à quelques heures.
"Si nous construisons un instrument à partir de ce système, un chercheur pourrait l'avoir dans le laboratoire de niveau de biosécurité 4 où il ne quittera jamais la pièce, et vous pourrez simplement y déposer un peu d'échantillon de liquide et effectuer le test en une heure", dit Schmidt. "Je pense que cela contribuerait à accélérer les tests."
Le test a été effectué avec six biofluides différents, notamment des prélèvements de salive, de sang et de gorge, qui peuvent contenir différentes charges virales. Cela peut permettre aux chercheurs de mieux étudier comment les maladies se propagent dans le corps de différents animaux.
Alors qu’au stade actuel, le test a été développé pour détecter les virus SARS-CoV-2 et Zika, les chercheurs pourraient procéder à des ajustements pour trouver tout virus pour lequel ils disposent d’un échantillon génétique. Dans les développements futurs, ils prévoient de simplifier et de minimiser davantage le système, ainsi que de lui permettre de tester plusieurs types de maladies à la fois, une fonctionnalité appelée multiplexage des maladies.
Schmidt a également l'intention d'utiliser ce concept pour développer des outils de diagnostic pour les biomarqueurs du cancer et d'autres problèmes de santé qui laissent des traces d'ADN/ARN ou de protéines dans le corps. Il faudra probablement quelques années avant que ce concept soit commercialisé et mis sur le marché.
Plus d'informations : Sampad, Mohammad Julker Neyen, Quantification de l'ARN viral sans étiquette et sans amplification à partir de biofluides de primates à l'aide d'une plateforme de nanopores optofluidiques assistée par piégeage, Actes de l'Académie nationale des sciences (2024). DOI :10.1073/pnas.2400203121. est ce que je.org/10.1073/pnas.2400203121
Informations sur le journal : Actes de l'Académie nationale des sciences
Fourni par l'Université de Californie - Santa Cruz
