La capacité de détecter les maladies à un stade précoce, voire de prédire leur apparition, serait d’un grand bénéfice tant pour les médecins que pour 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 qui utilisent des nanomatériaux pour déterminer des biomolécules et des cellules ainsi que des réactions ou processus biochimiques comme marqueurs de maladies. La version actuelle de l’équipe dans Biocapteurs et bioélectronique 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 options et mécanismes pour détecter les agents pathogènes dans les fluides corporels. Une possibilité que Baraban étudie à l’Institut HZDR de recherche radiopharmaceutique sur le cancer 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 aussi le courant. Si le courant ne change pas de manière significative, aucune biomolécule ne s’est liée à la surface du capteur. D’un autre côté, une modification du courant signifie que des molécules liées à la 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 un courant différent de celui, par exemple, d’un virus de la grippe.
Développement de transistors réutilisables
Le principal inconvénient 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. Étant donné que 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 essayé 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 porte et l’appelons une « porte étendue » – une extension du système de test.
Mais ce n’est pas tout. L’équipe a réfléchi encore plus loin et a relevé un autre défi : « Bien sûr, nous voulons que ce système effectue plusieurs analyses en même temps. » Les chercheurs ont réussi à développer des portes élargies avec 32 zones de test. Baraban explique : « Cela signifie qu’un échantillon peut être testé simultanément pour un agent pathogène différent sur chacune des plaquettes. »
Les scientifiques ont d’abord démontré le principe fonctionnel 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 et différents stades de la maladie conduisent à des tableaux cliniques différents. C’est pourquoi l’IL-6 est un marqueur très approprié.
Des nanoparticules pour augmenter la sensibilité
Pour 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 nettement plus élevée que si 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 facile 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 en cours, un système de test fonctionnel et pratique composé d’un transistor et de trente-deux tampons de test a été créé, grâce auquel différents agents pathogènes peuvent être détectés dans les plus brefs délais. À l’avenir, le système de test décrit pourrait être utilisé, par exemple, pour suivre les progrès de l’immunothérapie chez les patients atteints de cancer. Une autre possibilité serait de prédire à l’avance la gravité et l’évolution d’une maladie virale telle que la grippe ou le COVID-19. Comparé aux technologies existantes, le nouveau système est moins cher et plus rapide. C’est pourquoi Baraban et son équipe espèrent désormais susciter l’intérêt des entreprises.