Alors que la grippe aviaire H5N1 hautement pathogène continue de se propager aux États-Unis, constituant de graves menaces pour les produits laitiers et les fermes de volaille, les agriculteurs et les experts en santé publique ont besoin de meilleures façons de surveiller les infections, en temps réel, pour atténuer et répondre aux épidémies. Maintenant, grâce à des recherches de l'Université de Washington à St. Louis publiées dans un numéro spécial d'ACS Sensors sur « Breath Sensing », les trackers de virus ont un moyen de surveiller les particules d'aérosol de H5N1.
Pour créer leur capteur de grippe oiseau, les chercheurs du laboratoire de Rajan Chakrabarty, professeur d'énergie, de génie environnemental et chimique à la McKelvey School of Engineering de Washu, ont travaillé avec des biocapteurs capacitifs électrochimiques pour améliorer la vitesse et la sensibilité de la détection des virus et des bactéries.
Leur travail est de manière cruciale car le virus aviaire a pris un virage dangereux de la dernière année pour être transmis par des particules en suspension dans les mammifères, y compris les humains. Le virus a été prouvé mortel chez les chats, et il y a eu au moins un cas de mort humaine de H5N1.
« Ce biocapteur est le premier du genre », a déclaré Chakrabarty, parlant de la technologie utilisée pour détecter les particules de virus et de bactéries aéroportées. Les scientifiques devaient auparavant utiliser des méthodes de détection plus lentes avec des outils d'ADN de réaction en chaîne par polymérase.
Chakrabarty a noté que les méthodes de test conventionnelles peuvent prendre plus de 10 heures – « trop longtemps pour arrêter une épidémie ».
Le nouveau biocapteur fonctionne en cinq minutes, préservant l'échantillon des microbes pour une analyse plus approfondie et fournissant une gamme des niveaux de concentration de pathogènes détectés dans une ferme. Cela permet une action immédiate, a déclaré Chakrabarty.
Le temps est de l'essence lors de la prévention d'une épidémie virale. Lorsque le laboratoire a commencé à travailler sur cette recherche, H5N1 n'était transmissible que par contact avec des oiseaux infectés.
« Au fur et à mesure que ce document a évolué, le virus l'a muté aussi », a ajouté Chakrabarty.
Les États-Unis suivent la santé animale et les épidémies des agents pathogènes dans les fermes via le service américain de l'agriculture des animaux et de la santé des animaux (APHIS), qui ont rapporté au cours des 30 derniers jours, il y a eu au moins 35 nouveaux cas de bovins laitiers de H5N1 dans quatre États, principalement en Californie.
« Les souches sont très différentes cette fois », a déclaré Chakrabarty.
Si les agriculteurs soupçonnent une maladie, ils peuvent envoyer l'animal aux laboratoires du département de l'agriculture de l'État pour les tests. Cependant, c'est un processus lent qui peut être encore retardé en raison de l'arriéré des cas, car H5N1 dépasse les fermes de volaille et de produits laitiers. Les options d'atténuation comprennent des mesures de biosécurité telles que la mise en quarantaine des animaux, les installations et l'équipement de désinfection et les contrôles de protection pour limiter l'exposition aux animaux, y compris l'abattage de masse. L'USDA a également récemment délivré une licence conditionnelle pour un vaccin contre la grippe aviaire, qui pourrait apporter un soulagement supplémentaire aux éleveurs de volaille désireux de réduire les prix des œufs.
Chakrabarty est prêt à présenter ce biocapteur au monde et a déclaré qu'il était construit pour être portable et abordable pour la production de masse.
Comment ça marche
L'unité de détection d'échantillonnage de pathogènes intégrée est à peu près de la taille d'une imprimante de bureau et peut être placée où les fermes évacuent les échappements du poulet ou du boîtier de bétail. L'unité est une merveille d'ingénierie interdisciplinaire composée d'un « échantillonneur de bioaérosol à cyclone humide » qui a été développé à l'origine pour l'échantillonnage des aérosols SAR-COV-2.
L'air chargé d'agent pathogène entre dans l'échantillonneur à des vitesses très élevées et est mélangé avec le fluide qui tapisse les parois de l'échantillonneur pour créer un vortex de surface, piégeant ainsi les aérosols de virus. L'unité a un système de pompage automatisé qui envoie le liquide échantillonné toutes les cinq minutes du biocapteur pour la détection de virus transparent.
Le scientifique supérieur principal de Chakrabarty, Meng Wu, ainsi que l'étudiant diplômé Joshin Kumar, ont entrepris la tâche laborieuse d'optimiser la surface du biocapteur électrochimique pour augmenter sa sensibilité et sa stabilité pour la détection du virus en traces (moins de 100 copies d'ARN viral par mètre cube d'air).
Le biocapteur utilise des « sondes de capture » appelées aptamères, qui sont des brins uniques d'ADN qui se lient aux protéines virales, les signalant. Le grand défi de l'équipe a été de trouver un moyen d'amener ces aptamères à travailler avec la surface de 2 millimètres d'une électrode en carbone nue pour détecter les agents pathogènes.
Après des mois d'essais et d'erreurs, l'équipe a trouvé la bonne recette pour modifier la surface du carbone en utilisant une combinaison d'oxyde de graphène et de nanocristaux bleus prussiens pour augmenter la sensibilité et la stabilité du biocapteur. La dernière étape impliquait de lier la surface de l'électrode modifiée à l'aptamère via le glutaraldéhyde de réticulation, qui, selon Xu et Kumar, est la « sauce secrète » pour fonctionnaliser la surface d'une électrode de carbone nue pour détecter H5N1.
Ils ont ajouté qu'un gros avantage de la technique de détection de l'équipe est qu'il n'est pas destructif. Après avoir testé la présence d'un virus, l'échantillon pourrait être stocké pour une analyse plus approfondie par des techniques conventionnelles telles que la PCR.
L'unité de détection d'échantillonnage de pathogènes intégré fonctionne automatiquement – une personne n'a pas besoin d'avoir une expertise en biochimie pour l'utiliser. Il est fait avec des matériaux abordables et faciles à masse. Le biocapteur peut fournir des plages de concentration de H5N1 dans les opérateurs d'air et d'alerte sur les pointes de la maladie en temps réel. Xu a déclaré que la connaissance des niveaux peut être utilisée comme indicateur général de la « menace » dans une installation et informer les opérateurs si l'équilibre des agents pathogènes a augmenté de niveaux dangereux.
Cette capacité à offrir une gamme de concentration de virus est une autre «première» pour la technologie des capteurs. Plus important encore, il peut potentiellement évoluer pour trouver de nombreux autres agents pathogènes dangereux dans un seul appareil.
Ce biocapteur est spécifique à H5N1, mais il peut être adapté pour détecter d'autres souches de virus de la grippe (par exemple, H1N1) et SARS-COV-2 ainsi que les bactéries (E. coli et pseudomonas) dans la phase d'aérosol. Nous avons démontré ces capacités de notre biocapteur et signalé les résultats du journal. «
Rajan Chakrabarty, professeur d'énergie, de génie environnemental et chimique, McKelvey School of Engineering de Washu
L'équipe s'efforce de commercialiser le biocapteur. Varro Life Sciences, une entreprise de biotechnologie de St. Louis, a consulté l'équipe de recherche pendant les étapes de conception du biocapteur pour faciliter sa commercialisation possible à l'avenir.
Kumar J, Xu M, Li YA, You SW, Doherty BM, Gardiner WD, Cirrito JR, Yuede CM, Benegal A, Vahey MD, Joshi A, Seehra K, Boon ACM, Huang YY, Puthussery JV, Chakrabarty R. Aérosols. Capteurs ACS, en ligne 21 février. Doi: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.4c03087
Le financement de cette recherche a été fourni par Flut Lab.
