L’air que nous expirons contient des informations qui peuvent aider au diagnostic de la maladie. Les chercheurs du centre de projet Fraunhofer pour les systèmes microélectroniques et optiques pour la biomédecine MEOS développent actuellement des solutions conçues pour permettre l’analyse des gaz respiratoires à cette fin. Bien que leurs recherches se concentrent sur la détection précoce du cancer, le même principe pourrait également être appliqué pour faire la distinction entre le COVID-19 et d’autres maladies respiratoires.
Certaines maladies ont une odeur distincte. Une odeur d’acétone légèrement sucrée et fruitée, par exemple, peut indiquer un diabète. En effet, il existe des rapports de médecins de la Grèce antique qui ont pu détecter la maladie par l’odeur de l’haleine d’un patient. Ces odeurs caractéristiques sont causées par certains composés organiques volatils (COV) émis par les tissus malades ou le pathogène lui-même avant que les premiers symptômes ne se manifestent.
L’air expiré fournit une empreinte digitale du métabolisme du patient
«De nombreuses maladies provoquent une modification de la composition des gaz traces organiques volatils dans l’air expiré qui peuvent être utilisés comme biomarqueurs», explique le Dr Jessy Schönfelder, associée de recherche chez Fraunhofer MEOS. «Il s’agit souvent d’une combinaison de plusieurs traces de gaz dans une concentration significativement élevée ou significativement réduite qui est caractéristique d’une maladie spécifique. Ceci est connu sous le nom d’empreinte digitale de COV ou modèle de COV. Fraunhofer MEOS à Erfurt est un centre de projet interdisciplinaire impliquant la participation des instituts Fraunhofer de thérapie cellulaire et d’immunologie IZI, de microsystèmes photoniques IPMS et d’Optique appliquée et d’ingénierie de précision IOF.
Il existe des combinaisons de marqueurs spécifiques pour beaucoup plus de maladies qu’on ne le pensait autrefois. Chacun d’eux doit être minutieusement déchiffré. Telle est la tâche qui attend Schönfelder, chimiste de formation, et son équipe. Ensemble, ils développent actuellement un spectromètre spécial à mobilité ionique (IMS) permettant d’identifier ces modèles de COV. Étant donné que chaque personne expire environ 200 COV, ce n’est en aucun cas une tâche facile. L’objectif de cette recherche est la détection du cancer, en particulier le cancer du poumon.
L’équipe de recherche de Fraunhofer MEOS espère que cette nouvelle technologie sera capable de détecter un large éventail de biomarqueurs. Ils veulent également l’utiliser pour distinguer le COVID-19 des autres infections respiratoires. Il figure également dans le projet de cluster Fraunhofer M3Infekt, qui développe un système de surveillance mobile, modulaire et multimodal pour permettre une intervention rapide en cas de détérioration soudaine de l’état des patients COVID-19. En outre, on espère que cette méthode d’analyse des gaz respiratoires pourrait fournir une indication avancée des maladies neurodégénératives telles que la maladie d’Alzheimer. Cela fournirait non seulement un avertissement plus précoce qu’avec les méthodes conventionnelles telles que les analyses de sang, mais serait également plus pratique, car cela nécessiterait simplement que le patient respire dans un tube.
Il existe un énorme potentiel pour les systèmes de capteurs dans l’analyse des gaz respiratoires. La technologie IMS est non invasive, sensible et sélective. Et il est rapide, peu coûteux, mais également compact et portable, il n’y a donc aucune raison pour qu’il ne soit pas utilisé dans les cabinets médicaux et les hôpitaux. Le produit fini aura à peu près la taille d’une boîte à chaussures. «
Dr Jessy Schönfelder, associée de recherche chez Fraunhofer MEOS
Une puce FAIMS à tension alternative
Une puce FAIMS à tension alternative Au cœur de ce nouveau système IMS se trouve une puce de spectrométrie de mobilité ionique asymétrique à champ élevé miniaturisée (FAIMS). Le système microélectromécanique (MEMS) comprend un filtre ionique et un détecteur. L’appareil dispose également d’une lampe UV. Dans un premier temps, les COV – véhiculés dans un gaz vecteur – sont pompés dans le spectromètre, où ils sont ionisés au moyen de la lumière UV. En d’autres termes, ils se transforment en molécules chargées. «Ceux-ci sont ensuite envoyés à la puce FAIMS, qui a été développée par Fraunhofer IPMS», explique Schönfelder. «Une tension alternative est ensuite appliquée aux électrodes du filtre. En ajustant la tension au niveau du filtre, vous pouvez contrôler quels COV parviennent au détecteur. Cela génère une empreinte digitale COV, qui nous permet d’identifier la maladie que nous recherchons. «
À l’heure actuelle, l’équipe de recherche travaille à améliorer le système de contrôle électronique et à améliorer l’extraction et le traitement des échantillons. Pendant ce temps, des mesures de référence avec des cultures cellulaires ont maintenant été menées avec succès, et d’autres investigations avec des échantillons cliniques humains sont en cours. Dans un projet récemment achevé à Fraunhofer IZI, des scientifiques utilisant une technologie similaire ont pu distinguer sept souches bactériennes différentes.
Dans le même temps, des algorithmes d’IA spécialement développés devraient simplifier l’évaluation des empreintes digitales de COV. «Chaque mesure génère un demi-million de lectures», explique Schönfelder. « Nous voulons donc utiliser l’apprentissage automatique pour analyser cet énorme volume de données. » L’algorithme est formé à l’aide d’échantillons de sujets sains et de patients cancéreux. Les résultats de ces mesures sont disponibles en quelques minutes. « Et on peut bien imaginer que notre spectromètre à mobilité ionique pourrait un jour être utilisé pour dépister les passagers des compagnies aériennes afin de déterminer s’ils sont infectés par le coronavirus », ajoute-t-elle.
