Depuis la découverte de la pénicilline en 1928, les bactéries ont développé de nombreuses façons d’échapper ou d’ignorer carrément les effets des antibiotiques. Heureusement, les prestataires de soins de santé disposent d'un arsenal d'antibiotiques rarement utilisés qui restent efficaces contre des souches bactériennes autrement résistantes.
Des chercheurs des laboratoires nationaux Sandia ont combiné des travaux antérieurs sur des micro-aiguilles indolores avec des capteurs à l'échelle nanométrique pour créer un patch de capteur portable capable de surveiller en permanence les niveaux de l'un de ces antibiotiques.
L'antibiotique spécifique qu'ils suivent est la vancomycine, qui est utilisée comme dernière ligne de défense pour traiter les infections bactériennes graves, a déclaré Alex Downs, boursier Jill Hruby et chef de projet. Une surveillance continue est cruciale pour la vancomycine car il existe une plage étroite dans laquelle elle tue efficacement les bactéries sans nuire au patient, a-t-elle ajouté.
"Il s'agit d'une application formidable car elle nécessite un contrôle strict", a déclaré Philip Miller, ingénieur biomédical chez Sandia, qui a conseillé le projet. "Dans un environnement clinique, cela se produirait si un médecin vérifiait le patient toutes les heures et demandait une mesure sanguine de la vancomycine à un moment donné. Quelqu'un viendrait prélever du sang, l'enverrait à la clinique et obtiendrait une réponse. revenir plus tard. Notre système est un moyen de remédier à ce retard. "
Les chercheurs ont expliqué comment fabriquer ces capteurs et les résultats de leurs tests dans un article récemment publié dans la revue Biosensors and Bioelectronics. .
Le système de capteurs commence par une micro-aiguille disponible dans le commerce, couramment utilisée dans les stylos à insuline. Adam Bolotsky, un scientifique des matériaux de Sandia, prend un fil d'or recouvert de polymère d'environ ¼ de l'épaisseur d'un cheveu humain et coupe une extrémité en biais. Il insère ensuite soigneusement le fil d'or dans l'aiguille, le soude à un connecteur et s'assure qu'il est électriquement isolé. Les chercheurs construisent également des électrodes de référence et des contre-électrodes de la même manière, en utilisant respectivement des fils d'argent et de platine enduits à l'intérieur de micro-aiguilles commerciales.
Ces aiguilles sont ensuite insérées dans un patch en plastique, de la taille d'un dollar en argent, conçu par les technologues de Sandia, Bryan Weaver et Haley Bennett. Ce patch comprend de la place pour neuf micro-aiguilles mais peut être ajusté pour n'importe quel nombre souhaité, a déclaré Downs. Sur la surface diagonale exposée de chaque fil d'or, les chercheurs fixent chimiquement les capteurs à l'échelle nanométrique.
Les capteurs, appelés aptamères, sont des brins d'ADN avec un lieur de surface à une extrémité et un produit chimique électriquement sensible à l'autre. Downs a expliqué que lorsque l’ADN se lie à l’antibiotique vancomycine, il change de forme, rapprochant ainsi le produit chimique électriquement sensible de la surface de l’or. Ce mouvement augmente le courant détecté par le système de capteurs. Lorsque la concentration de vancomycine diminue, une partie de l'ADN revient à sa forme originale, qui est également détectée électriquement.
"Cette réversibilité est utile pour des choses comme les mesures en temps réel", a déclaré Downs. "Si vous souhaitez connaître la concentration d'un certain produit chimique présent dans la peau ou dans le sang à un moment donné, il est vraiment important de pouvoir mesurer les augmentations et les diminutions."
Downs a travaillé avec le capteur aptamère au cours de ses recherches doctorales et a apporté ses connaissances avec elle à Sandia, où elle a travaillé pour les combiner avec l'expertise de Sandia avec des micro-aiguilles qui peuvent fournir aux médecins des informations similaires sur une prise de sang avec moins de douleur.
"J'ai fusionné mes connaissances en matière de détection basée sur les aptamères et de surveillance en temps réel avec la technologie développée par Ronen Polsky et Phil Miller chez Sandia", a déclaré Downs. "En intégrant ces deux outils, nous avons considérablement miniaturisé le système de détection et vérifié qu'il fonctionnait dans une micro-aiguille."
Après avoir construit les capteurs à micro-aiguilles, l'équipe a testé si un capteur à micro-aiguilles pouvait détecter la vancomycine dans une solution saline imitant les conditions à l'intérieur du corps, a déclaré Downs. Une fois réussi, ils ont testé l’ensemble du système, avec les électrodes de référence et les contre-électrodes, dans une solution beaucoup plus complexe :du sang de vache non dilué. Le système était toujours capable de détecter la vancomycine.
Ensuite, pour tester si les micro-aiguilles et les aptamères fonctionneraient après avoir été insérés dans la peau, les chercheurs ont inséré le patch dans la peau de porc plusieurs fois, ont surveillé le signal électronique du patch lorsqu'il était dans la peau et ont testé sa capacité à détecter la vancomycine. .
"Il était très incertain si cela allait maintenir un signal lorsque vous le mettriez dans la peau", a déclaré Downs. "Chaque micro-aiguille est sa propre électrode de détection. Si les capteurs n'établissent pas un bon contact électrique, cela ne fonctionnerait vraiment pas. C'était la plus grande incertitude et quelque chose que nous n'avions jamais testé chez Sandia."
Après avoir testé avec succès le système de patchs de capteurs, la prochaine étape consiste à établir un partenariat avec un autre groupe de recherche pour les tester sur des humains ou d'autres animaux, ont déclaré Downs et Miller.
"Le prochain grand obstacle technique est de prouver que cela fonctionne dans le corps pendant une période prolongée", a déclaré Miller.
À l’avenir, un système similaire avec différents aptamères d’ADN pourrait être utilisé pour surveiller les cytokines, petites protéines utilisées pour transmettre des messages dans le corps, ainsi que d’autres protéines ou molécules plus petites qui changent de manière significative au cours des infections. Ces systèmes pourraient aider les médecins à diagnostiquer plus rapidement la maladie dont souffre un patient ou même faciliter le triage en cas d'urgence.
Downs a également étudié quels éléments présents dans le sang et la peau pourraient « obstruer » les capteurs et réduire leur précision au fil du temps. Elle et la stagiaire d'été Amelia Staats ont découvert que le fibrinogène, une protéine impliquée dans la coagulation sanguine, est l'un des principaux responsables de l'interférence du signal. Les chercheurs prévoient de publier ces résultats dans un prochain article.
"Ce système pourrait être utilisé partout où vous subissez d'importants changements chimiques dans le corps, où vous souhaitez mesurer ces changements au fil du temps pour mieux comprendre ce qui se passe dans le corps", a déclaré Downs.
Plus d'informations : Alex M. Downs et al, Détection électrochimique basée sur des aptamères par micro-aiguille :mesures de petites molécules en temps réel à l'aide de micro-aiguilles en acier inoxydable disponibles dans le commerce intégrées à des capteurs, Biocapteurs et bioélectronique (2023). DOI :10.1016/j.bios.2023.115408
Informations sur le journal : Biocapteurs et bioélectronique
Fourni par Sandia National Laboratories
