Un nouveau capteur portable surveille la dernière ligne de défense contre les antibiotiques

Les capteurs à micro-aiguilles pourraient fournir une surveillance moléculaire continue et peu invasive, fournissant des informations en temps réel sur l’état des maladies et leurs traitements. Des capteurs portables pharmaceutiques, par exemple, permettraient d’adapter les traitements à la pharmacocinétique de chaque patient.

Pour construire un patch de capteur portable capable de surveiller en permanence les niveaux de l’un de ces médicaments, des chercheurs des laboratoires nationaux Sandia ont associé des travaux antérieurs sur des micro-aiguilles indolores à des capteurs à l’échelle nanométrique.

Selon Alex Downs, chef de projet et membre de Jill Hruby, le médicament qu’ils suivent est la vancomycine, utilisée en dernier recours pour traiter les infections bactériennes graves. La vancomycine a une petite plage dans laquelle elle réussit à tuer les bactéries sans blesser le patient ; par conséquent, une surveillance continue est essentielle.

Philip Miller, un ingénieur biomédical de Sandia qui a conseillé sur le projet, a déclaré : « Il s’agit d’une application formidable car elle nécessite un contrôle strict. Dans un contexte 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 venait prélever du sang, l’envoyait à la clinique et obtenait une réponse plus tard. Notre système est un moyen de remédier à ce retard.

Le système de capteurs commence par une micro-aiguille de type stylo à insuline facilement accessible sur le marché. Un angle est coupé à une extrémité d’un fil d’or recouvert de polymère qui représente environ un quart de l’épaisseur d’un cheveu humain par Adam Bolotsky, scientifique en matériaux chez Sandia. Le fil d’or est ensuite soigneusement inséré à l’intérieur de l’aiguille, soudé à une connexion et l’isolation électrique est assurée. Les chercheurs utilisent des fils d’argent et de platine enduits à l’intérieur de micro-aiguilles commerciales pour fabriquer des électrodes de référence et des contre-électrodes similaires.

Les technologues de Sandia, Bryan Weaver et Haley Bennett, ont conçu un patch en plastique de la taille d’un dollar en argent. Ces aiguilles sont ensuite insérées dans un patch en plastique pouvant accueillir neuf micro-aiguilles mais pouvant être ajusté pour en obtenir le nombre souhaité.

Downs a dit : “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 comportant un produit chimique électriquement réactif à une extrémité et un lieur de surface à l’autre. Selon Downs, l’ADN change de forme lorsqu’il se lie à l’antibiotique vancomycine, rapprochant ainsi la molécule électriquement sensible de la surface de l’or. Ce mouvement augmente le courant détecté par le système de capteurs. La détection électrique montre également qu’une partie de l’ADN revient à sa structure native à mesure que la concentration de vancomycine diminue.

Downs a dit : « Cette réversibilité est utile pour les mesures en temps réel. 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 important de pouvoir mesurer les augmentations et les diminutions.

« 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. 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. 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.

Les chercheurs ont ensuite inséré le patch dans la peau de porc à plusieurs reprises, ont observé le signal électronique du patch alors qu’il était dans la peau et ont évalué sa capacité à détecter la vancomycine pour voir si les micro-aiguilles et les aptamères fonctionneraient après avoir été insérés dans la peau.

Il était très difficile de savoir si celui-ci continuerait à transmettre un signal après avoir été inséré dans la peau. Chaque micro-aiguille fonctionne comme une électrode de détection distincte. Cela ne fonctionnerait certainement que si les capteurs établissaient un bon contact électrique. Nous n’avions jamais testé cela chez Sandia, ce qui en fait la plus grande inconnue.

Miller a dit : “Le prochain grand obstacle technique consiste à prouver que cela fonctionne dans le corps pendant une période prolongée.”

À l’avenir, une approche similaire utilisant divers aptamères d’ADN pourrait être utilisée pour suivre les cytokines, qui sont de minuscules protéines qui agissent comme messagers à l’intérieur du corps, ainsi que d’autres protéines ou molécules plus petites qui subissent des changements importants lors d’infections. Ces méthodes accélèrent le diagnostic de la maladie d’un patient ou même facilitent le triage en cas d’urgence.

De plus, Downs a étudié si des substances présentes dans le sang et la peau pouvaient « obstruer » les capteurs au fil du temps, réduisant ainsi leur précision. Elle et sa stagiaire d’été, Amelia Staats, ont découvert que la principale cause d’interférence du signal est le fibrinogène, une molécule impliquée dans la coagulation du sang. Les chercheurs publieront ces résultats dans une future étude.

Les bas dit, “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.”

Référence du journal :

1. Alex M. Downs, Adam Bolotsky, Bryan M. Weaver et coll. 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 intégrées dans un capteur et disponibles dans le commerce. Biocapteurs et bioélectronique. EST CE QUE JE: 10.1016/j.bios.2023.115408