En utilisant des essaims d’aimants de la taille d’une tête d’épingle à l’intérieur d’un kit de laboratoire portable tout-en-un, les chercheurs de l’UCLA ont développé une technologie qui pourrait augmenter considérablement la vitesse et le volume des tests de dépistage des maladies, tout en réduisant les coûts et l’utilisation de fournitures rares.
Les tests automatisés peuvent être facilement fabriqués, déployés et effectués en temps opportun dans un cabinet médical, une clinique de santé ou sur des sites de test de masse dans les aéroports et les écoles dès l’apparition de toute maladie infectieuse majeure. L’équipe de recherche dirigée par l’UCLA était motivée par le manque d’accès équitable aux tests au cours des premiers mois de la pandémie de COVID-19, alors que seule une poignée de laboratoires cliniques étaient autorisés à effectuer des tests. La percée technologique pourrait aider les autorités à mieux se préparer aux futures pandémies en décentralisant les tests et en maximisant l’utilisation des ressources.
Le professeur Dino Di Carlo de bio-ingénierie de l’UCLA Samueli School of Engineering et le professeur agrégé Sam Emaminejad de génie électrique et informatique ont co-écrit une étude, qui a été publiée cette semaine dans La nature. Le document décrivait le fonctionnement du kit de laboratoire et incluait les résultats d’une étude clinique avec des échantillons de test d’individus ayant présenté des symptômes de COVID-19. Plus de 100 résultats de tests utilisant le kit de laboratoire ont été comparés aux mêmes échantillons testés pour le COVID-19 à l’aide de diagnostics moléculaires basés sur la réaction en chaîne par polymérase (PCR) effectués dans le cadre des soins cliniques de routine d’UCLA Health.
« Notre technologie de laboratoire portable pourrait aider à surmonter certains des obstacles de la rareté et de l’accès aux tests, en particulier au début d’une pandémie, lorsqu’il est le plus crucial de contrôler la propagation de la maladie », a déclaré Emaminejad, qui occupe également un poste de professeur en bio-ingénierie. « Et au-delà de son potentiel à résoudre les problèmes de pénurie d’approvisionnement et de forte demande, il pourrait être largement adapté pour tester de nombreux types de maladies sur le terrain et avec une qualité de laboratoire. »
À l’aide d’un circuit imprimé qui contrôle un ensemble de disques magnétiques mobiles de 1 millimètre appelés « ferrobots » pour transporter des échantillons à travers le flux de travail de diagnostic d’un test d’amplification d’acide nucléique (TAAN), le kit de laboratoire ultra-sensible des chercheurs a pu pour détecter la présence de matériel génétique d’un virus – ; dans ce cas, le SRAS-CoV-2 qui cause le COVID-19. Les étapes pour séparer, trier, mélanger et amplifier les échantillons de test sont toutes automatisées et effectuées à un niveau miniaturisé à l’intérieur du kit.
La conception compacte de cette plate-forme et la manipulation automatisée des échantillons permettent des implémentations faciles de tests groupés où vous pouvez tester des dizaines d’échantillons de patients en même temps, et tous avec les mêmes matériaux qu’il faut actuellement pour tester un seul patient. Par exemple, vous pouvez tester des étudiants dans une résidence universitaire entière avec seulement quelques dizaines de kits de test. »
Dino Di Carlo, titulaire de la chaire Armond et Elena Hairapetian de l’UCLA en ingénierie et médecine
En concevant le kit pour les tests groupés, le système nécessite des quantités de réactifs chimiques bien inférieures à celles nécessaires pour tester les échantillons individuellement. Jusqu’à 16 échantillons ont été combinés et testés à la fois dans l’étude de l’équipe. Si le test groupé montrait un résultat positif, les tests suivants auraient automatiquement lieu au sein de la même plate-forme jusqu’à ce que les échantillons positifs réels soient identifiés. Tout ce processus a pris entre 30 et 60 minutes, selon qu’il y avait des échantillons positifs ou non. Grâce à la miniaturisation des tests de la technologie et aux capacités de tests groupés, les coûts des réactifs chimiques pourraient être réduits de 10 à 300 fois.
En plus de pouvoir tester plusieurs maladies simultanément, la plateforme offre également une automatisation précise et robuste. Par exemple, dans un test groupé avec 16 échantillons, plus de 300 opérations de laboratoire, y compris le mélange et le tri, ont été automatisées par les ferrobots – ; c’est-à-dire plus de 3 000 mouvements individuels, ou actionnements. Dans leurs études de fiabilité, les chercheurs ont montré que les ferrobots pouvaient effectuer plus de 8 millions d’actionnements sans erreur.
Outre Di Carlo et Emaminejad, tous deux membres du corps professoral du California NanoSystems Institute de l’UCLA, les auteurs principaux de cette étude sont le chercheur postdoctoral de l’UCLA Haisong Lin et les étudiants diplômés Wenzhuo Yu et Kiarash Sabet – ; tous sont membres du laboratoire de bioélectronique interconnectée et intégrée d’Emaminejad à l’UCLA.
Les autres auteurs sont Michael Bogumil, Jacob Hambalek et Shuyu Lin, étudiants diplômés en génie de l’UCLA; et chercheur postdoctoral Yichao Zhao; ainsi que le professeur clinique adjoint d’UCLA Health Sukantha Chandrasekaran et le professeur clinique agrégé Omai Garner de pathologie et de médecine de laboratoire.
La recherche a été soutenue par le programme de bourses de recherche COVID-19 de la Fondation WM Keck, la National Science Foundation et le Precise Advanced Technologies and Health Systems for Underserved Populations (PATHS-UP) NSF Engineering Research Center. L’UCLA Nanoelectronics Research Facility a donné accès à l’équipement de fabrication utilisé pour l’étude. Lin, Yu, Sabet, Di Carlo et Emaminejad ont soumis une demande de brevet par l’intermédiaire du groupe de développement technologique de l’UCLA pour la technologie utilisée dans le nouveau système.
