Un nouveau biocapteur à ADN pourrait débloquer des diagnostics cliniques puissants et peu coûteux

L’ADN peut signaler la présence ou la prédisposition à un grand nombre de maladies, y compris le cancer. La capacité de signaler ces indices, connus sous le nom de biomarqueurs, permet aux professionnels de la santé de poser des diagnostics précoces critiques et de fournir des traitements personnalisés. Les méthodes typiques de dépistage peuvent être laborieuses, coûteuses ou limitées dans ce qu’elles peuvent découvrir. Une nouvelle puce de biocapteur dotée d’une conception précise et peu coûteuse pourrait accroître l’accessibilité à des diagnostics de haute qualité.

Le biocapteur, développé par des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST), de l’Université Brown et de l’institut de recherche financé par le gouvernement français CEA-Leti, identifie les biomarqueurs en mesurant comment la liaison se produit entre les brins d’ADN et le dispositif. Ce qui le distingue des autres capteurs similaires, c’est sa conception modulaire, qui réduit les coûts en facilitant la production en série et en permettant la réutilisation des composants les plus coûteux.

Dans un article du dernier IEEE International Electron Devices Meeting qui vient d’être mis en ligne, les chercheurs ont présenté les résultats d’une étude qui démontre la sensibilité et la précision élevées de l’appareil malgré sa modularité, qui est généralement associée à des performances réduites.

Comme d’autres biocapteurs d’ADN, le dispositif tire parti du fait qu’un seul brin d’ADN, lorsqu’il n’est pas associé à un autre dans la double hélice familière, est amorcé pour la liaison chimique. Une partie du dispositif est recouverte de simples brins d’ADN. Lorsque ces «sondes» rencontrent des biomarqueurs d’ADN qui ont une séquence génétique correspondante ou complémentaire, les deux brins se lient, envoyant un signal qui est capté par le dispositif.

« Pour effectuer la mesure, nous avons besoin de deux molécules d’ADN. Nous plaçons un brin sur notre capteur qui est complémentaire à l’ADN cible, c’est l’aiguille proverbiale dans la botte de foin », a déclaré Arvind Balijepalli, chercheur au NIST, co-auteur de la nouvelle étude. .

Lorsqu’un brin d’ADN cible se lie à une sonde, il induit un décalage de tension qu’un dispositif semi-conducteur, appelé transistor à effet de champ (FET), peut mesurer. Ces décalages de tension peuvent se produire des centaines de fois par seconde lorsque les molécules s’allument et s’éteignent du capteur.

En raison de sa résolution temporelle élevée, cette approche peut vous dire non seulement si un brin d’ADN est lié à une sonde, mais aussi combien de temps il faut pour se connecter et se déconnecter – un facteur appelé cinétique de liaison qui est essentiel pour discerner différents marqueurs qui peuvent se lier à la même sonde à des degrés divers.

Et avec cette méthode, vous n’avez pas besoin de beaucoup d’espace pour mesurer beaucoup.

« C’est une technique très évolutive. En principe, on peut avoir des centaines voire des milliers de capteurs sur une surface d’un millimètre carré intégrés dans un appareil de la taille d’un smartphone, ce qui est beaucoup moins encombrant que certaines technologies actuellement utilisées dans la clinique », a déclaré Balijepalli.

Cependant, les méthodes basées sur FET n’ont pas encore atteint le grand public. Une pierre d’achoppement importante est leur caractère à usage unique, qui paraissait jusqu’à présent une nécessité mais renchérit leur coût.

Semblable à la façon dont votre radio devient de plus en plus bruyante lorsque vous vous éloignez d’une station de radio, les signaux électriques deviennent également plus bruyants plus ils doivent voyager dans l’électronique. Le bruit aléatoire indésirable capté en cours de route rend le signal plus difficile à mesurer.

Pour limiter le bruit, les sondes ADN des capteurs à base de FET sont normalement fixées directement au transistor, ce qui convertit le signal en données lisibles. L’inconvénient est que les sondes sont usées après avoir été exposées à un échantillon, et donc l’ensemble du dispositif l’est également.

Dans la nouvelle étude, Balijepalli et ses collègues ont augmenté la distance entre les sondes et le transistor afin que les éléments les plus coûteux du circuit puissent être réutilisés. La pénalité initiale était que la distance pouvait augmenter la quantité de bruit; cependant, il y avait beaucoup à gagner du choix de conception, même au-delà des économies de coûts.

« Si le lecteur est réutilisable, nous pouvons y intégrer une technologie plus sophistiquée et obtenir une plus grande précision des lectures, et il peut s’interfacer avec l’élément de détection peu coûteux et jetable », a déclaré Balijepalli.

Parce qu’ils prévoyaient que la conception modulaire diminuerait la sensibilité du biocapteur, les chercheurs ont retiré une page du livre de jeu de l’Internet des objets (IoT), qui tient compte des pertes associées aux appareils sans fil. Les auteurs du NIST ont associé leurs circuits à un type spécifique de FET à très faible puissance développé au CEA-LETI qui est utilisé dans les montres intelligentes, les assistants personnels et d’autres appareils pour amplifier les signaux et compenser la perte de sensibilité.

Pour tester les performances de leur appareil, ils l’ont placé dans des échantillons liquides contenant des brins d’ADN associés à une exposition à des rayonnements ionisants nocifs. Des sondes d’ADN complémentaires ornaient des électrodes câblées au FET. Sur plusieurs échantillons, ils ont fait varier la quantité d’ADN cible.

Les chercheurs ont découvert que la cinétique de liaison était suffisamment sensible pour effectuer des mesures précises même à de faibles concentrations. Dans l’ensemble, les performances de la conception modulaire correspondaient à celles des biocapteurs intégrés à base de FET non modulaires.

La prochaine étape de leurs recherches consiste à découvrir si leur capteur peut fonctionner de la même manière avec des séquences d’ADN variables causées par des mutations. Étant donné que de nombreuses maladies sont causées par ou associées à l’ADN muté, cette capacité est essentielle pour les diagnostics cliniques.

D’autres études peuvent évaluer la capacité du capteur à détecter le matériel génétique associé à des virus, tels que le COVID-19, qui pourraient faire allusion à une infection.

En attendant, la nouvelle technologie pourrait représenter une base viable sur laquelle s’appuyer.

« Il existe une opportunité de développer des capteurs modulaires plus sophistiqués qui sont beaucoup plus accessibles sans sacrifier des mesures de haute qualité », a déclaré Balijepalli.

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