La technologie derrière les masques faciaux qui peuvent diagnostiquer COVID-19

Un effort de collaboration entre le Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l’Université Harvard et le Massachusetts Institute of Technology (MIT) a récemment publié leurs conclusions sur la façon dont une nouvelle technologie peut être intégrée dans les masques faciaux standard pour détecter la présence du coronavirus du syndrome respiratoire aigu sévère 2 (SRAS-CoV-2).

Masque facial pouvant détecter le SARS-CoV-2. Crédit d’image: Institut Wyss de l’Université Harvard

Introduction à la biologie synthétique

La biologie synthétique est un domaine multidisciplinaire qui utilise divers principes d’ingénierie pour contrôler un large éventail de paramètres biologiques. En conséquence, la biologie synthétique a été à la base de nombreux progrès récents réalisés dans les domaines de la biotechnologie et de la médecine.

Certains des différents éléments d’ingénierie qui ont été incorporés dans ces technologies biomédicales comprennent des oscillateurs, des commutateurs, des portes logiques, des amplificateurs, des minuteries, des compteurs, des mémoires, des capteurs et des actionneurs. Dans le domaine de la science et de la technologie des capteurs, la biologie synthétique a permis aux chercheurs de créer des capteurs peu coûteux et rapides qui peuvent être utilisés pour le diagnostic et la surveillance des maladies dans des environnements réels.

Les progrès antérieurs dans le domaine de la biologie synthétique ont conduit au développement de nouveaux capteurs cellulaires qui conservent leur capacité de détection naturelle pour détecter une variété de cibles moléculaires et environnementales. Ces nouveaux capteurs cellulaires peuvent fonctionner seuls ou être couplés à de l’électronique pour former des transducteurs à sensibilité unique qui ont été utilisés pour une variété d’applications, allant des tests de qualité de l’eau à la détection de toxines dans les zones de guerre.

Qu’est-ce que la technologie wFDCF ?

Récemment, des chercheurs du MIT ont publié leurs découvertes sur une nouvelle technologie portable sans cellules lyophilisées (wFDCF) qui utilise des capteurs génétiquement codés pour la détection de métabolites corporels, de biomarqueurs pathogènes, de toxines chimiques et d’autres substrats environnementaux. Le développement de cette technologie était largement basé sur des découvertes antérieures démontrant que les composants biomoléculaires requis pour ces applications de détection peuvent être lyophilisés pour prolonger leur durée de conservation tout en préservant simultanément leur stabilité pendant le transport et le stockage pendant de longues périodes.

En termes de sécurité, la technologie wFDCF élimine bon nombre des problèmes de sécurité potentiels qui surviennent souvent lors de l’utilisation de plates-formes de biodétection basées sur des cellules vivantes. La technologie wFDCF décrite dans le présent article a d’abord été utilisée comme système d’acide nucléique sur papier pour aider au diagnostic du virus Zika lors de l’épidémie de 2015. Dans ce système, des molécules d’acide ribonucléique (ARN) dérivées d’agents pathogènes ont été couplées à une protéine fluorescente verte (GFP) qui a formé le circuit génétiquement modifié pour le biocapteur. Le circuit a ensuite été intégré dans des substrats de papier poreux qui produisent un signal fluorescent plus élevé lorsqu’ils sont exposés au virus Zika.

Capteurs SARS-CoV-2 dans les masques faciaux

En plus du papier, les technologies de la plate-forme wFDCF peuvent également être directement intégrées dans des substrats synthétiques et naturels, tels que des matrices polymères et certains textiles comme les fils, les tissages, les fibres, ainsi que les tissus complexes. À cette fin, les chercheurs de la présente étude étaient intéressés à intégrer cette nouvelle technologie dans des masques faciaux standard pour détecter la présence de SARS-CoV-2 dans l’haleine d’un patient. La technologie derrière ce masque facial de détection de la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19) semble atteindre des taux de précision comparables aux tests de réaction en chaîne de la transcriptase inverse-polymérase (RT-PCR) qui sont souvent utilisés pour diagnostiquer le COVID-19 en milieu clinique .

Le masque facial de détection de COVID-19 se compose de trois réactions biologiques lyophilisées différentes qui sont activées par la libération d’eau d’un réservoir qui appuie sur un petit bouton. La première de ces réactions ouvre le membre du virus SARS-CoV-2 pour exposer son matériel d’ARN génétique. Le gène qui code pour la protéine de pointe SARS-CoV-2, qui est la protéine de surface qui permet au virus de pénétrer dans les cellules humaines, est ensuite isolé et copié dans de nombreuses versions double brin.

La réaction finale utilise la technologie SHERLOCK basée sur les répétitions palindromiques courtes régulièrement espacées (CRISPR) pour détecter tout fragment de gène de la protéine de pointe dans l’haleine. Lors de la détection de tout fragment de gène, une molécule sonde est coupée en deux morceaux plus petits, puis signalée via une bandelette de dosage à flux latéral intégrée dans le masque. Si des fragments de protéines de pointe sont trouvés et coupés, un diagnostic de SARS-CoV-2 sera donc positif. Semblable au résultat positif qui survient lorsque des tests de grossesse à domicile sont utilisés, un changement dans le motif des lignes sur le masque confirmera la présence du SRAS-CoV-2.

Applications futures

Ce travail montre que notre technologie de biologie synthétique lyophilisée et sans cellules peut être étendue aux appareils portables et exploitée pour de nouvelles applications de diagnostic, y compris le développement d’un diagnostic de masque facial. »

Bien que la version actuelle du masque facial de détection de COVID-19 soit exempte de composants électroniques, les chercheurs ont découvert qu’ils peuvent intégrer des éléments permanents dans ce système pour des applications de diagnostic plus étendues. À cette fin, un réseau de câbles à fibres optiques peut être intégré à la technologie wFCDF pour détecter la lumière fluorescente générée suite à l’apparition de diverses réactions biologiques.

Le résultat de ces réactions peut ensuite être transmis à des applications pour smartphones pour permettre au porteur de surveiller son exposition à diverses substances sur de longues périodes. Par exemple, les chercheurs suggèrent que cette technologie pourrait être utilisée dans les blouses de laboratoire pour les scientifiques qui travaillent avec des matières dangereuses ou des agents pathogènes. De même, les médecins et les infirmières pourraient également porter des textiles contenant ces capteurs wFCDF pour surveiller leur exposition à des agents pathogènes ou des toxines dangereux.