La capacité de détecter les maladies à un stade précoce, voire même de prédire leur apparition, serait extrêmement bénéfique pour les médecins et les patients. Une équipe de recherche dirigée par le Dr Larysa Baraban du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) développe des dispositifs et des systèmes de biocapteurs intelligents et miniaturisés utilisant des nanomatériaux pour déterminer des biomolécules et des cellules ainsi que des réactions ou processus biochimiques comme marqueurs de maladies.
Publication actuelle de l'équipe dans Biosensors and Bioelectronics décrit le développement d'un système de test portable de la taille d'une paume qui peut effectuer simultanément jusqu'à 32 analyses d'un échantillon.
Il existe diverses possibilités et mécanismes pour détecter les agents pathogènes dans les fluides corporels. Une option que Baraban étudie à l'Institut de recherche radiopharmaceutique sur le cancer HZDR est la détection à l'aide de transistors à effet de champ (FET) issus du domaine de l'électronique.
Le principe de fonctionnement est simple :un courant électrique défini circule de A vers B. Ce courant peut être régulé par le potentiel électrique à la surface d'un portail, qui fonctionne comme une vanne précise et continue.
Les biomolécules liées à la maladie se lient à la surface de la porte et modifient ainsi le potentiel électrique et donc également le courant. S’il n’y a pas de changement significatif dans le courant, aucune biomolécule ne s’est liée à la surface du capteur. D'un autre côté, un changement dans le courant signifie que des molécules liées à une maladie peuvent être détectées à la surface du capteur.
Ces biocapteurs peuvent être conçus pour détecter spécifiquement différentes biomolécules. Différents agents pathogènes provoquent des potentiels électriques différents et donc des courants différents. Les cellules cancéreuses provoquent des courants différents de ceux, par exemple, d'un virus de la grippe.
L’inconvénient majeur des biocapteurs électroniques traditionnels basés sur FET est que les surfaces de test ne sont pas réutilisables et que le transistor entier doit être jeté après chaque échantillonnage. Comme les transistors contiennent des matériaux semi-conducteurs coûteux, ce processus est à la fois coûteux et nocif pour l'environnement.
Pour cette raison, Baraban et son département de nano-microsystèmes pour les sciences de la vie sont allés plus loin et ont tenté de mesurer les changements de potentiel non pas directement sur la surface du transistor, mais sur une électrode séparée connectée à la grille du transistor. "Cela nous donne la possibilité d'utiliser le transistor plusieurs fois. Nous séparons la grille et l'appelons "porte étendue", c'est-à-dire une extension du système de test."
Mais ce n'est pas tout. L’équipe a pensé encore plus loin et a relevé un autre défi. "Nous souhaitons bien entendu que ce système puisse effectuer plusieurs analyses en même temps." Les chercheurs ont réussi à développer des portes étendues avec 32 plages de test. Baraban explique :"Cela signifie qu'un échantillon peut être testé simultanément sur chacun des tampons pour détecter un agent pathogène différent."
Les scientifiques ont d'abord démontré le principe de fonctionnement en utilisant l'interleukine-6 (IL-6), une molécule responsable de la communication entre les cellules immunitaires. "Qu'il s'agisse d'un simple rhume ou d'un cancer, la concentration d'IL-6 change. Différentes maladies ainsi que différents stades d'une maladie produisent des tableaux cliniques différents. C'est pourquoi l'IL-6 est très bien adaptée comme marqueur."
Afin de rendre la méthode encore plus sensible, l'équipe de Baraban a également utilisé des nanostructures. Les nanoparticules concentrent ou localisent la charge pour amplifier le signal de tension.
"La sensibilité des tests est considérablement plus élevée que lorsque nous travaillons sans nanoparticules." Comme des kits de nanoparticules prêts à l’emploi pour la recherche sont désormais disponibles sur le marché, cette méthode est simple à utiliser. Les scientifiques du HZDR travaillent actuellement avec des nanoparticules d'or. À l'avenir, ils aimeraient également étudier d'autres nanoparticules.
Grâce aux recherches actuelles, un système de test fonctionnel et pratique a été créé, composé d'un transistor et de trente-deux tampons de test, avec lequel différents agents pathogènes peuvent être détectés en très peu de temps.
À l'avenir, le système de test décrit pourrait, par exemple, être utilisé pour suivre les progrès des immunothérapies chez les patients atteints de cancer. Une autre possibilité serait de prédire la gravité et l'évolution d'une maladie virale telle que la grippe ou le COVID-19 dès le début.
Par rapport aux technologies existantes, le nouveau système est plus rentable et plus rapide. C'est pour cette raison que Baraban et son équipe espèrent désormais susciter l'intérêt du secteur commercial.
Plus d'informations : Željko Janićijević et al, Méthodes de référence en millifluidique clinique biocapteur à transistor à effet de champ à grille étendue multiplexé avec nanoantennes en or comme amplificateurs de signal, Biocapteurs et bioélectronique (2023). DOI :10.1016/j.bios.2023.115701
Informations sur le journal : Biocapteurs et bioélectronique
Fourni par l'Association Helmholtz des centres de recherche allemands
