Dans un monde aux prises avec une multitude de menaces pour la santé – ; allant des virus à propagation rapide aux maladies chroniques et aux bactéries résistantes aux médicaments – ; le besoin de tests de diagnostic à domicile rapides, fiables et faciles à utiliser n’a jamais été aussi grand. Imaginez un avenir où ces tests pourront être effectués n’importe où, par n’importe qui, à l’aide d’un appareil aussi petit et portable que votre montre intelligente. Pour ce faire, vous avez besoin de micropuces capables de détecter d’infimes concentrations de virus ou de bactéries dans l’air.
Maintenant, de nouvelles recherches de la faculté de NYU Tandon, notamment du professeur de génie électrique et informatique Davood Shahrjerdi ; Professeur Herman F. Mark en génie chimique et biomoléculaire Elisa Riedo ; et Giuseppe de Peppo, professeur agrégé industriel en génie chimique et biomoléculaire et qui travaillait auparavant chez Mirimus, montre qu'il est possible de développer et de construire des micropuces qui peuvent non seulement identifier plusieurs maladies à partir d'un seul échantillon de toux ou d'air, mais qui peuvent également être produites à grande échelle .
« Cette étude ouvre de nouveaux horizons dans le domaine de la biodétection. Les micropuces, l'épine dorsale des smartphones, des ordinateurs et d'autres appareils intelligents, ont transformé la façon dont les gens communiquent, se divertissent et travaillent. De même, aujourd'hui, notre technologie permettra aux micropuces de révolutionner les soins de santé. , du diagnostic médical à la santé environnementale », déclare Riedo,
La technologie innovante présentée dans cet article utilise des transistors à effet de champ (FET) – ; des capteurs électroniques miniatures qui détectent directement les marqueurs biologiques et les convertissent en signaux numériques – ; offrant une alternative aux tests de diagnostic chimiques traditionnels basés sur la couleur, comme les tests de grossesse à domicile.
Davood Shahrjerdi, professeur de génie électrique et informatique, NYU Tandon
« Cette approche avancée permet d'obtenir des résultats plus rapides, de tester simultanément plusieurs maladies et de transmettre immédiatement des données aux prestataires de soins de santé », explique Sharjerdi, qui est également directeur de la NYU Nanofabrication Cleanroom, une installation de pointe où certaines des puces utilisés dans cette étude ont été fabriqués. Riedo et Shahrjerdi sont également les codirecteurs de l'initiative NYU NanoBioX.
Les transistors à effet de champ, un élément essentiel de l'électronique moderne, apparaissent comme des outils puissants dans cette quête d'instruments de diagnostic. Ces minuscules appareils peuvent être adaptés pour fonctionner comme des biocapteurs, détectant des agents pathogènes ou des biomarqueurs spécifiques en temps réel, sans avoir recours à des étiquettes chimiques ou à de longues procédures de laboratoire. En convertissant les interactions biologiques en signaux électriques mesurables, les biocapteurs basés sur FET offrent une plate-forme de diagnostic rapide et polyvalente.
Les progrès récents ont poussé les capacités de détection des biocapteurs FET à des niveaux incroyablement faibles ; jusqu'à des concentrations femtomolaires, ou un quadrillionième de mole – ; en incorporant des matériaux à l'échelle nanométrique tels que des nanofils, de l'oxyde d'indium et du graphène. Pourtant, malgré leur potentiel, les capteurs basés sur FET restent confrontés à un défi de taille : ils ont du mal à détecter simultanément plusieurs agents pathogènes ou biomarqueurs sur la même puce. Les méthodes actuelles de personnalisation de ces capteurs, telles que le dépôt de biorécepteurs tels que des anticorps sur la surface du FET, manquent de la précision et de l'évolutivité requises pour des tâches de diagnostic plus complexes.
Pour résoudre ce problème, ces chercheurs explorent de nouvelles façons de modifier les surfaces FET, permettant à chaque transistor d'une puce d'être adapté pour détecter un biomarqueur différent. Cela permettrait la détection parallèle de plusieurs agents pathogènes.
Entrez dans la lithographie par sonde à balayage thermique (tSPL), une technologie révolutionnaire qui pourrait être la clé pour surmonter ces obstacles. Cette technique permet la configuration chimique précise d'une puce recouverte de polymère, permettant la fonctionnalisation de FET individuels avec différents biorécepteurs, tels que des anticorps ou des aptamères, à des résolutions aussi fines que 20 nanomètres. Ceci est comparable à la petite taille des transistors des puces semi-conductrices avancées d’aujourd’hui. En permettant une modification hautement sélective de chaque transistor, cette méthode ouvre la porte au développement de capteurs basés sur FET capables de détecter une grande variété d'agents pathogènes sur une seule puce, avec une sensibilité inégalée.
Riedo, qui a joué un rôle déterminant dans le développement et la prolifération de la technologie tSPL, considère son utilisation ici comme une preuve supplémentaire de la manière révolutionnaire dont cette technique de nanofabrication peut être utilisée dans des applications pratiques. « Le tSPL, désormais une technologie lithographique disponible dans le commerce, a joué un rôle clé pour fonctionnaliser chaque FET avec différents biorécepteurs afin de réaliser le multiplexage », explique-t-elle.
Lors des tests, les capteurs FET fonctionnalisés à l'aide du tSPL ont montré des performances remarquables, détectant aussi peu que 3 concentrations attomolaires (aM) de protéines de pointe du SRAS-CoV-2 et aussi peu que 10 particules virales vivantes par millilitre, tout en distinguant efficacement les différents types de virus. , y compris la grippe A. La capacité de détecter de manière fiable des quantités aussi infimes d'agents pathogènes avec une spécificité élevée constitue une étape cruciale vers la création d'appareils de diagnostic portables qui pourraient un jour être utilisés dans divers contextes, des hôpitaux aux domiciles.
L'étude, maintenant publiée par la Royal Society of Chemistry en À l'échelle nanométrique, a été soutenu par Mirimus, une société de biotechnologie basée à Brooklyn, et LendLease, une société multinationale de construction et d'immobilier basée en Australie. Ils travaillent avec l'équipe de NYU Tandon pour développer respectivement des appareils portables et des appareils domestiques de détection de maladies.
« Cette recherche montre la puissance de la collaboration entre l'industrie et le monde universitaire et comment elle peut changer le visage de la médecine moderne », déclare Prem Premsrirut, président et chef de la direction de Mirimus. « Les chercheurs de NYU Tandon produisent des travaux qui joueront un rôle important dans l'avenir de la détection des maladies. »
« Des entreprises telles que Lendlease et d'autres promoteurs impliqués dans la régénération urbaine recherchent des solutions innovantes comme celle-ci pour détecter les menaces biologiques dans les bâtiments. » déclare Alberto Sangiovanni Vincentelli de l'UC Berkeley, collaborateur du projet. « De telles mesures de biodéfense constitueront une nouvelle couche infrastructurelle pour les bâtiments du futur »
À mesure que la fabrication de semi-conducteurs continue de progresser, intégrant des milliards de FET à l’échelle nanométrique sur des micropuces, le potentiel d’utilisation de ces puces dans des applications de biodétection devient de plus en plus réalisable. Une méthode universelle et évolutive de fonctionnalisation des surfaces FET avec une précision nanométrique permettrait la création d’outils de diagnostic sophistiqués, capables de détecter plusieurs maladies en temps réel, avec la rapidité et la précision qui pourraient transformer la médecine moderne.
