L’obtention des résultats d’un test sanguin peut prendre d’un jour à une semaine, selon le ciblage du test. Il en va de même pour les tests de pollution de l’eau et de contamination alimentaire. Et dans la plupart des cas, le temps d’attente est dû à des étapes fastidieuses de traitement et d’analyse des échantillons.
Aujourd’hui, les ingénieurs du MIT ont identifié une nouvelle signature optique dans une classe largement utilisée de billes magnétiques, qui pourrait être utilisée pour détecter rapidement les contaminants dans divers tests de diagnostic. Par exemple, l’équipe a montré que la signature pouvait être utilisée pour détecter des signes de contaminant alimentaire. Salmonelle.
Les Dynabeads sont des billes magnétiques microscopiques qui peuvent être recouvertes d’anticorps qui se lient à des molécules cibles, comme un agent pathogène spécifique. Les Dynabeads sont généralement utilisées dans des expériences dans lesquelles elles sont mélangées à des solutions pour capturer des molécules d’intérêt. Mais à partir de là, les scientifiques doivent prendre des mesures supplémentaires et fastidieuses pour confirmer que les molécules sont bien présentes et liées aux billes.
L’équipe du MIT a trouvé un moyen plus rapide de confirmer la présence d’agents pathogènes liés à Dynabead, en utilisant l’optique, en particulier la spectroscopie Raman. Cette technique optique identifie des molécules spécifiques en fonction de leur « signature Raman », ou de la manière unique dont une molécule diffuse la lumière.
Les chercheurs ont découvert que les Dynabeads possèdent une signature Raman inhabituellement forte qui peut être facilement détectée, un peu comme une étiquette fluorescente. Cette signature, ont-ils découvert, peut faire office de « journaliste ». S’il est détecté, le signal peut servir de confirmation rapide, en moins d’une heure, qu’un agent pathogène cible est effectivement présent dans un échantillon donné. L’équipe travaille actuellement au développement d’un appareil portable permettant de détecter rapidement une gamme d’agents pathogènes bactériens, et a rendu compte aujourd’hui de ses résultats dans un numéro spécial du Journal de spectroscopie Raman.
Cette technique serait utile dans une situation où un médecin tente de déterminer la source d’une infection afin de mieux éclairer la prescription d’antibiotiques, ainsi que pour la détection d’agents pathogènes connus dans les aliments et l’eau. De plus, nous espérons que cette approche mènera éventuellement à un accès élargi aux diagnostics avancés dans des environnements aux ressources limitées. »
Marissa McDonald, co-auteur de l’étude, étudiant diplômé du programme Harvard-MIT en sciences et technologies de la santé
Les co-auteurs de l’étude au MIT incluent l’associé postdoctoral Jongwan Lee ; la chercheuse invitée Nikiwe Mhlanga ; le chercheur scientifique Jeon Woong Kang ; Le professeur Tata Rohit Karnik, qui est également directeur associé du laboratoire d’eau et de systèmes alimentaires Abdul Latif Jameel ; et professeur adjoint Loza Tadesse du Département de génie mécanique.
Huile et eau
La recherche de cellules malades et d’agents pathogènes dans des échantillons de liquide est un exercice de patience.
« C’est une sorte de problème d’aiguille dans une botte de foin », explique Tadesse.
Les nombres présents sont si petits qu’ils doivent être cultivés dans des environnements contrôlés en nombre suffisant, et leurs cultures colorées, puis étudiées au microscope. L’ensemble du processus peut prendre plusieurs jours à une semaine pour donner un résultat positif ou négatif certain.
Les laboratoires de Karnik et de Tadesse ont développé indépendamment des techniques pour accélérer diverses parties du processus de test des agents pathogènes et rendre le processus portable, à l’aide de Dynabeads.
Les Dynabeads sont des billes microscopiques disponibles dans le commerce constituées d’un noyau de fer magnétique et d’une coque en polymère qui peuvent être recouvertes d’anticorps. Les anticorps de surface agissent comme des crochets pour lier des molécules cibles spécifiques. Lorsqu’elles sont mélangées à un fluide, tel qu’un flacon de sang ou d’eau, toutes les molécules présentes se déposent sur les Dynabeads. À l’aide d’un aimant, les scientifiques peuvent doucement amener les billes au fond d’un flacon et les filtrer pour les extraire d’une solution. Le laboratoire de Karnik étudie les moyens de séparer davantage les billes entre celles qui sont liées à une molécule cible et celles qui ne le sont pas. « Mais le défi est le suivant : comment savoir si nous avons ce que nous cherchons ? » dit Tadesse.
Les perles elles-mêmes ne sont pas visibles à l’œil nu. C’est là qu’interviennent les travaux de Tadesse. Son laboratoire utilise la spectroscopie Raman pour « empreintes digitales » des agents pathogènes. Elle a découvert que différents types de cellules diffusent la lumière de manière unique, ce qui peut être utilisé comme signature pour les identifier.
Dans le nouveau travail de l’équipe, elle et ses collègues ont découvert que les Dynabeads possèdent également une signature Raman unique et forte qui peut agir comme un phare étonnamment clair.
« Nous cherchions au départ à identifier les signatures des bactéries, mais la signature des Dynabeads était en réalité très forte », explique Tadesse. « Nous avons réalisé que ce signal pourrait être un moyen de vous signaler si vous avez ou non cette bactérie. »
Balise de test
À titre de démonstration pratique, les chercheurs ont mélangé des Dynabeads dans des flacons d’eau contaminée par Salmonelle. Ils ont ensuite isolé magnétiquement ces billes sur des lames de microscope et mesuré la manière dont la lumière se diffuse dans le fluide lorsqu’elle est exposée à la lumière laser. En une demi-seconde, ils ont rapidement détecté la signature Raman des Dynabeads ; une confirmation qui a lié Dynabeads, et par déduction, Salmonelleétaient présents dans le fluide.
« C’est quelque chose qui peut être utilisé pour donner rapidement une réponse positive ou négative : y a-t-il un contaminant ou non ? » dit Tadesse. « Parce que même une poignée d’agents pathogènes peuvent provoquer des symptômes cliniques. »
La nouvelle technique de l’équipe est nettement plus rapide que les méthodes conventionnelles et utilise des éléments qui pourraient être adaptés sous des formes plus petites et plus portables – ; un objectif vers lequel les chercheurs travaillent actuellement. L’approche est également très polyvalente.
« Salmonelle est la preuve de concept », déclare Tadesse. « Vous pouvez acheter des Dynabeads avec E. coli des anticorps, et la même chose se produirait : ils se lieraient à la bactérie et nous serions capables de détecter la signature Dynabead car le signal est extrêmement puissant. »
L’équipe est particulièrement désireuse d’appliquer le test à des conditions telles que la septicémie, où le temps presse et où les agents pathogènes qui déclenchent la maladie ne sont pas rapidement détectés à l’aide de tests de laboratoire conventionnels.
« Il existe de nombreux cas, comme dans le cas du sepsis, où les cellules pathogènes ne peuvent pas toujours être cultivées sur une plaque », explique Lee, membre du laboratoire de Karnik. « Dans ce cas, notre technique pourrait détecter rapidement ces agents pathogènes. »
Cette recherche a été financée en partie par le MIT Laser Biomedical Research Center, le National Cancer Institute et le laboratoire Abdul Latif Jameel Water and Food Systems du MIT.
