À l’aide de nanotubes de carbone spécialisés, les ingénieurs du MIT ont conçu un nouveau capteur capable de détecter le SARS-CoV-2 sans aucun anticorps, donnant un résultat en quelques minutes. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
La technologie pourrait être développée en tant que diagnostic rapide pour Covid-19 ou d’autres agents pathogènes émergents.
En utilisant des nanotubes de carbone spécialisés, AVEC ingénieurs ont conçu un nouveau capteur capable de détecter SRAS-CoV-2 sans aucun anticorps, donnant un résultat en quelques minutes. Leur nouveau capteur est basé sur une technologie capable de générer rapidement des diagnostics rapides et précis, non seulement pour Covid-19 mais pour les futures pandémies, selon les chercheurs.
« Un test rapide signifie que vous pouvez ouvrir les voyages beaucoup plus tôt dans une future pandémie. Vous pouvez filtrer les personnes qui descendent d’un avion et déterminer si elles doivent ou non se mettre en quarantaine. Vous pouvez également filtrer les personnes entrant sur leur lieu de travail, etc. », explique Michael Strano, professeur de génie chimique Carbon P. Dubbs au MIT et auteur principal de l’étude. « Nous ne disposons pas encore de technologie capable de développer et de déployer de tels capteurs assez rapidement pour éviter des pertes économiques. »
Les chercheurs ont incorporé leur capteur dans un prototype avec une pointe en fibre optique capable de détecter les changements de fluorescence dans l’échantillon d’essai. Crédit : MIT
Le diagnostic est basé sur la technologie des capteurs à nanotubes de carbone que le laboratoire de Strano a déjà développée. Une fois que les chercheurs ont commencé à travailler sur un capteur Covid-19, il ne leur a fallu que 10 jours pour identifier un nanotube de carbone modifié capable de détecter sélectivement les protéines virales qu’ils recherchaient, puis de le tester et de l’incorporer dans un prototype fonctionnel. Cette approche élimine également le besoin d’anticorps ou d’autres réactifs qui prennent du temps à générer, purifier et rendre largement disponibles.
Le postdoctorant du MIT Sooyeon Cho et l’étudiante diplômée Xiaojia Jin sont les principaux auteurs de l’article, qui paraît aujourd’hui (26 octobre 2021) dans la revue Chimie analytique. Les autres auteurs incluent les étudiants diplômés du MIT Sungyun Yang et Jianqiao Cui, et le postdoctorant Xun Gong.
Reconnaissance moléculaire
Il y a plusieurs années, le laboratoire de Strano a développé une nouvelle approche pour concevoir des capteurs pour une variété de molécules. Leur technique repose sur des nanotubes de carbone – des cylindres creux d’un nanomètre d’épaisseur en carbone qui émettent naturellement une fluorescence lorsqu’ils sont exposés à la lumière laser. Ils ont montré qu’en enveloppant de tels tubes dans différents polymères, ils peuvent créer des capteurs qui répondent à des molécules cibles spécifiques en les reconnaissant chimiquement.
Leur approche, connue sous le nom de Corona Phase Molecular Recognition (CoPhMoRe), tire parti d’un phénomène qui se produit lorsque certains types de polymères se lient à une nanoparticule. Connues sous le nom de polymères amphiphiles, ces molécules ont des régions hydrophobes qui s’accrochent aux tubes comme des ancres et des régions hydrophiles qui forment une série de boucles s’étendant à partir des tubes.
Ces boucles forment une couche appelée couronne entourant le nanotube. Selon la disposition des boucles, différents types de molécules cibles peuvent se caler dans les espaces entre les boucles, et cette liaison de la cible modifie l’intensité ou la longueur d’onde maximale de fluorescence produite par le nanotube de carbone.
Plus tôt cette année, Strano et InnoTech Precision Medicine, un développeur de diagnostics basé à Boston, ont reçu une subvention du National Institutes of Health pour créer un capteur CoPhMoRe pour les protéines du SRAS-CoV-2. Les chercheurs du laboratoire de Strano avaient déjà développé des stratégies leur permettant de prédire quels polymères amphiphiles interagiront le mieux avec une molécule cible particulière, ils ont donc pu générer rapidement un ensemble de 11 candidats forts pour le SRAS-CoV-2.
Environ 10 jours après le début du projet, les chercheurs avaient identifié des capteurs précis pour la nucléocapside et la protéine de pointe du virus SARS-CoV-2. Pendant ce temps, ils ont également pu incorporer les capteurs dans un dispositif prototype avec une pointe en fibre optique capable de détecter les changements de fluorescence de l’échantillon de biofluide en temps réel. Cela élimine le besoin d’envoyer l’échantillon à un laboratoire, ce qui est requis pour le test de diagnostic PCR de référence pour Covid-19.
Cet appareil produit un résultat en cinq minutes environ et peut détecter des concentrations aussi faibles que 2,4 picogrammes de protéine virale par millilitre d’échantillon. Dans des expériences plus récentes réalisées après la soumission de cet article, les chercheurs ont atteint une limite de détection inférieure aux tests rapides qui sont maintenant disponibles dans le commerce.
Les chercheurs ont également montré que l’appareil pouvait détecter la protéine de la nucléocapside du SRAS-CoV-2 (mais pas la protéine de pointe) lorsqu’elle était dissoute dans la salive. La détection des protéines virales dans la salive est généralement difficile car la salive contient des glucides collants et des molécules d’enzymes digestives qui interfèrent avec la détection des protéines, c’est pourquoi la plupart des diagnostics Covid-19 nécessitent des écouvillonnages nasaux.
“Ce capteur affiche la plage la plus élevée de limite de détection, de temps de réponse et de compatibilité avec la salive, même sans conception d’anticorps et de récepteurs”, explique Cho. « C’est une caractéristique unique de ce type de schéma de reconnaissance moléculaire que la conception et les tests rapides sont possibles, sans être entravés par le temps de développement et les exigences de la chaîne d’approvisionnement d’un anticorps conventionnel ou d’un récepteur enzymatique. »
Réponse rapide
La vitesse à laquelle les chercheurs ont pu développer un prototype fonctionnel suggère que cette approche pourrait s’avérer utile pour développer des diagnostics plus rapidement lors de futures pandémies, dit Strano.
« Nous pouvons passer de quelqu’un qui nous remet des marqueurs viraux à un capteur à fibre optique fonctionnel en un temps extrêmement court », dit-il.
Les capteurs qui s’appuient sur des anticorps pour détecter les protéines virales, qui constituent la base de nombreux tests rapides Covid-19 désormais disponibles, prennent beaucoup plus de temps à se développer car le processus de conception du bon anticorps protéique prend beaucoup de temps.
Les chercheurs ont déposé un brevet sur la technologie dans l’espoir qu’elle puisse être commercialisée pour être utilisée comme diagnostic Covid-19. Strano espère également développer davantage la technologie afin qu’elle puisse être déployée rapidement en réponse aux futures pandémies.
Référence : « Détection rapide sans anticorps des protéines du SRAS-CoV-2 à l’aide de la reconnaissance moléculaire de la phase Corona pour accélérer le temps de développement » par Soo-Yeon Cho, Xiaojia Jin, Xun Gong, Sungyun Yang, Jianqiao Cui et Michael S. Strano, 26 octobre 2021, Chimie analytique.
DOI : 10.1021/acs.analchem.1c02889
La recherche a été financée par une subvention du National Institutes of Health Rapid Acceleration of Diagnostics (RADx).
