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Pouvez-vous vous présenter et nous dire ce qui a inspiré vos recherches sur la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19) ?
Peter Nguyen est chercheur au Wyss Institute de l’Université Harvard et Luis Soenksen est chercheur et créateur d’entreprise à la MIT Jameel Clinic for AI & Healthcare.
Notre laboratoire du MIT/Harvard (https://www.collinslab.mit.edu/) se concentre actuellement sur les moyens de faire sortir des circuits biologiques avancés, un domaine connu sous le nom de «biologie synthétique», du laboratoire et de la technologie de tous les jours. Cela nous a conduit à nous concentrer sur les wearables contenant des biocapteurs.
Les appareils portables actuellement disponibles dans le commerce (par exemple, FitBit ou Apple Watch) détectent électroniquement les signaux physiologiques. Cependant, ils ne peuvent pas détecter l’exposition à un agent pathogène ou à une toxine. C’est quelque chose qui nécessite actuellement tout un laboratoire pour traiter les échantillons.
Nos capteurs peuvent désormais apporter la même puissance de test aux appareils portables pour détecter et identifier les agents pathogènes (toute bactérie ou virus) ainsi que les toxines. En substance, notre technologie miniaturise un laboratoire entier sur un vêtement portable. Lorsque la pandémie a frappé, nous avons immédiatement orienté notre travail vers le développement d’un appareil portable capable de détecter le COVID-19 de manière discrète, peu coûteuse et rapide.
Virus SRAS-CoV-2. Crédit d’image: Yeti en pointillé/Shutterstock.com
Près de 4 millions de personnes sont mortes à ce jour de l’épidémie de COVID-19. Pourquoi est-il important que les chercheurs et les organisations se réunissent et travaillent en collaboration pour faire progresser nos méthodes de détection et de prévention ?
La collaboration au sein de la communauté de recherche par le partage de données, d’idées et de commentaires constructifs est essentielle pour s’assurer que nous disposons d’une diversité d’approches et de technologies. Nous nous appuyons tous les uns sur les autres de manière merveilleuse, l’incroyable technologie vaccinale issue de cette pandémie en est un exemple.
Notre technologie de détection/surveillance doit rattraper son retard. Nous avons également grandement bénéficié de discussions approfondies avec des chercheurs dans des domaines disparates et des cliniciens. C’est particulièrement important pour un projet multidisciplinaire comme celui-ci.
Que sont les biocapteurs et comment sont-ils capables de détecter les agents pathogènes et les toxines ?
Les biocapteurs utilisent des circuits génétiques conçus pour créer des capteurs et des détecteurs pour une cible moléculaire souhaitée par le biais de la biologie, contrairement aux capteurs électroniques/mécaniques/optiques. Nous pensons que les biocapteurs sont particulièrement adaptés à la détection d’agents pathogènes et de toxines, car ils sont les plus capables de s’interfacer directement avec ces composants moléculaires.
Nos réponses physiologiques à ces menaces sont fondamentalement de nature biologique. En réorganisant les interactions entre les molécules biologiques, des capteurs hautement sensibles peuvent être créés. Les biocapteurs permettront à la prochaine génération d’appareils portables conçus artificiellement d’avoir des capacités de détection similaires à celles de notre propre peau ou de notre système immunitaire.
Vous travaillez sur cette technologie portable sans cellules lyophilisées (wFDCF) depuis plus de trois ans et vous l’avez utilisée pour la première fois avec du papier. Quels problèmes avez-vous rencontrés en essayant de recréer ce biocapteur afin qu’il soit portable et comment les avez-vous surmontés ?
Notre travail pour le masque facial COVID-19 est définitivement basé sur nos précédents diagnostics sur papier Ebola et Zika. Ces tests ont démontré la technologie de lyophilisation, mais nécessitaient toujours un utilisateur qualifié pour préparer un échantillon, l’appliquer sur le papier et des instruments pour le traiter. Pour notre travail actuel, nous voulions nous concentrer sur le fonctionnement autonome de la technologie, avec une collecte automatique des échantillons, une préparation intégrée des échantillons et une intervention minimale de l’utilisateur.
Pour le masque facial, tout ce que l’utilisateur a à faire pour activer le capteur pour commencer l’analyse est d’appuyer sur un bouton. Ces différents obstacles n’étaient pas anodins, nous avons mis plusieurs années à concevoir. Un gros problème que nous avons rencontré était l’évaporation, car les réactions FDCF ont besoin d’eau pour fonctionner. Une grande partie de l’ingénierie des appareils portables consistait à concevoir les capteurs pour minimiser l’évaporation tout en maintenant la flexibilité et la continuité avec l’environnement, en utilisant des chambres de capteurs élastomères hydrophobes spécialement conçues.
De plus, les capteurs du masque facial utilisaient une conception multi-réaction plus complexe, nécessitant des délais pour garantir que chaque réaction lyophilisée se produisait par étapes et pouvait encore fonctionner de manière autonome. Chaque étape et chaque composant ont dû être optimisés de manière ardue afin que l’ensemble du système s’exécute de manière robuste. Il y avait aussi beaucoup d’optimisation des matériaux, pour s’assurer que nous avions le bon débit d’eau et la compatibilité avec les différents réactifs.
Pouvez-vous décrire comment vous avez mené vos dernières recherches sur le développement de ce biocapteur portable ? Comment fonctionne ce biocapteur ?
Le capteur COVID-19 contient ici également des capteurs biologiques lyophilisés (à base d’enzymes CRISPR). Attaché au capteur est un tampon de collecte d’échantillons qui recueille les aérosols respiratoires de l’utilisateur. Lorsque l’utilisateur a porté le masque pendant une durée appropriée (un minimum de 15 à 30 minutes), il appuie sur un bouton qui perce une pochette thermoformée remplie d’eau, qui évacue immédiatement l’eau à travers le tampon de prélèvement d’échantillons, poussant ainsi tout virus particules dans le capteur pour analyse. Le capteur contient trois réactions lyophilisées, chacune séparée par une temporisation soluble.
Premièrement, un mélange de détergent optimisé perturbe toutes les membranes virales. La deuxième réaction est une réaction isotherme couplée transcriptase inverse – amplification polymérase recombinase (RT-RPA), qui convertit l’ARN viral en ADN et amplifie une zone de celui-ci (le gène codant pour la protéine de pointe). La troisième et dernière réaction est le capteur CRISPR (Cas12a), qui détecte l’ADN amplifié. Il y a une molécule sonde qui est clivée (coupée) par le Cas12a si elle est activée.
À la toute fin, une fois le capteur exécuté, la réaction s’écoule vers une bande d’écoulement latéral (semblable à un test de grossesse) où le résultat est présenté simplement sous la forme d’un motif visible de bandes qui varie selon que la sonde a été clivée ou non. ou pas.
Masque facial pouvant détecter le COVID-19. Crédit d’image: Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l’Université Harvard
Votre masque facial peut détecter la présence du SARS-CoV-2 avec la même précision que les tests PCR standard. Quels autres avantages ce masque facial présente-t-il par rapport aux autres méthodes utilisées pour diagnostiquer le COVID-19, telles que les tests PCR ?
- C’est très pratique – si vous portez déjà un masque, pourquoi ne pas faire un test pendant que vous en portez un ?
- Il est non invasif et détecte le virus à partir de l’haleine de l’utilisateur. Plus la capture d’haleine est longue, plus il y a d’échantillon disponible pour l’analyse.
- Il est peu coûteux – actuellement, notre prototype de capteur de diagnostic COVID-19 coûte au total environ 5 USD, sans compter le coût du masque lui-même. À ce prix, nous pensons qu’il serait compétitif en tant que masque et test tout-en-un jetable. Nous prévoyons qu’avec un produit fabriqué en série, ce prix devrait baisser.
- Il atteint le juste milieu de la sensibilité et de la vitesse – contrairement à un test d’antigène, il s’agit d’un test d’amplification d’acide nucléique (NAAT), qui détecte directement le génome du virus. Contrairement à un test PCR typique, ce test de masque facial peut donner des résultats en 90 minutes sans avoir besoin d’envoyer quoi que ce soit à un laboratoire.
- Aucune instrumentation et opération utilisateur minimale – Le capteur est entièrement intégré dans le matériau, et tout ce que l’utilisateur doit faire pour l’activer est d’appuyer sur un bouton. Il n’y a aucun instrument ou puissance nécessaire.
- Il fonctionne à température ambiante – C’est quelque chose qui semble trivial, mais c’est en fait assez difficile à réaliser. Toutes les réactions sont capables de travailler à température ambiante, ce qui nous a permis de nous passer d’instruments de laboratoire (par exemple, chauffage requis par PCR).
À quelles autres applications ce masque facial pourrait-il potentiellement être appliqué ?
Une application immédiate pourrait être la détection et la surveillance de la propagation des variantes de COVID-19. Si les masques étaient envoyés par la poste à une population et les résultats rapportés sur une application, nous pourrions peut-être obtenir une carte extrêmement détaillée de la propagation d’une variante, permettant des décisions politiques rapides.
En cas de saison grippale particulièrement mauvaise, ces masques pourraient potentiellement être utilisés pour faire la distinction entre la grippe et le rhume, permettant une administration rapide d’antiviraux.
Des recherches montrent que d’autres maladies et même le cancer peuvent être détectés par l’exhalation de composés organiques volatils (COV). Si nous pouvions développer des biocapteurs pour détecter ces COV, cela pourrait élargir considérablement la gamme de ce qui est détectable au-delà des agents pathogènes respiratoires.
Pensez-vous que ce biocapteur portable nous aidera à détecter davantage les cas de coronavirus à un stade précoce, ce qui nous permettra d’arrêter la propagation du virus ?
Une lacune dans notre préparation mondiale mise à nu pendant cette pandémie était le manque de tests rapides et sensibles, qui étaient très en retard par rapport à la flambée des infections. Notre technologie de masque pourrait nous permettre d’augmenter considérablement la fréquence des tests là où elle doit être, permettant des tests potentiellement quotidiens en ayant un diagnostic facile à utiliser pour la population générale sans avoir besoin d’un laboratoire (car le test est complètement auto- contenu et ne nécessite qu’une simple pression sur un bouton).
Nous pensons qu’en réduisant l’obstacle aux tests de diagnostic afin qu’ils puissent être effectués n’importe où par n’importe qui tout en fournissant des résultats fiables, nous pourrions augmenter considérablement la densité et la fréquence des tests. Ce serait une pièce clé du puzzle qui est nécessaire pour arrêter cette pandémie actuelle dans son élan et contenir toute future épidémie de maladie avant qu’elle ne devienne une pandémie.
Masque. Crédit d’image : MIT
Quelles sont les prochaines étapes de votre recherche ?
Compte tenu du faible coût, de la commodité, de la stabilité en étagère et des hautes performances du diagnostic du masque facial, nous pensons que les fabricants seront ravis de travailler avec nous pour développer une version commerciale de notre prototype.
Nous recherchons activement des partenaires commerciaux pour s’engager dans la conception de la fabrication en série du masque facial. Ce processus pourrait être assez accéléré avec les bons partenaires et le soutien du gouvernement. Nous envisageons également de développer des versions du capteur de masque facial qui peuvent différencier les variantes COVID-19.
Où les lecteurs peuvent-ils trouver plus d’informations ?
À propos du Dr Peter Nguyen
Peter Nguyen a obtenu un baccalauréat en biochimie et un baccalauréat en philosophie de l’Université du Texas, son M.B. du Keck Graduate Institute, et son doctorat. en biochimie de l’Université Rice.
Au Wyss Institute, Peter travaille actuellement sur des probiotiques programmables et une technologie de fabrication sans cellules lyophilisées sur plusieurs plates-formes. Ses intérêts de recherche incluent également les systèmes d’ingénierie pour l’auto-assemblage et le contrôle précis de structures à l’échelle nanométrique; génie des protéines pour la biologie synthétique et les applications biomédicales.
À propos du Dr Luis R. Soenksen
Luis R. Soenksen est un entrepreneur en série et un expert en dispositifs médicaux agissant actuellement en tant que premier créateur d’entreprise du MIT en intelligence artificielle et en santé, où il dirige le développement et le lancement de plusieurs entreprises d’IA de pointe avec des professeurs et des étudiants du MIT.
Luis est titulaire d’un doctorat. en génie mécanique du MIT, ainsi qu’un baccalauréat en génie biomédical de l’Institut de technologie de Monterrey et une maîtrise en sciences en bio-ingénierie de l’Université Johns Hopkins. Sa formation comprend la conception, le développement et la fabrication de dispositifs médicaux, ainsi que les tests cliniques et le déploiement d’entreprises de soins de santé.
En recherche, Luis a apporté d’importantes contributions aux domaines de la bio-ingénierie, de l’enseignement de la bio-conception, de l’ingénierie tissulaire, de la biologie synthétique et de l’intelligence artificielle. Les travaux de Luis ont été publiés dans plusieurs revues à fort impact telles que Science et Nature, des recherches qui ont également conduit à plusieurs technologies biomédicales brevetées et à la co-fondation de 4 start-ups à l’échelle internationale.
