Faites briller un laser sur une goutte de sang, de mucus ou d’eaux usées, et la lumière réfléchie peut être utilisée pour identifier positivement les bactéries dans l’échantillon.
Nous pouvons savoir non seulement si des bactéries sont présentes, mais plus précisément quelles bactéries se trouvent dans l’échantillon – E. coli, Staphylocoque, Streptocoque, Salmonelle, l’anthrax, etc. Chaque microbe a sa propre empreinte optique unique. C’est comme le code génétique et protéomique gribouillé à la lumière. »
Jennifer Dionne, professeure agrégée de science et génie des matériaux, Université de Stanford
Dionne est l’auteur principal d’une nouvelle étude dans la revue Nano-lettres détaillant une méthode innovante que son équipe a développée et qui pourrait conduire à des analyses microbiennes plus rapides (presque immédiates), peu coûteuses et plus précises de pratiquement tous les fluides que l’on pourrait vouloir tester pour les microbes.
Les méthodes de culture traditionnelles encore utilisées aujourd’hui peuvent prendre des heures, voire des jours. Une culture de la tuberculose prend 40 jours, a déclaré Dionne. Le nouveau test peut être effectué en quelques minutes et promet des diagnostics d’infection meilleurs et plus rapides, une meilleure utilisation des antibiotiques, des aliments plus sûrs, une surveillance environnementale améliorée et un développement plus rapide des médicaments, explique l’équipe.
Vieux chiens, nouveaux trucs
La percée n’est pas que les bactéries affichent ces empreintes digitales spectrales, un fait connu depuis des décennies, mais dans la façon dont l’équipe a pu révéler ces spectres au milieu de la gamme aveuglante de lumière réfléchie par chaque échantillon.
« Non seulement chaque type de bactérie présente des modèles de lumière uniques, mais pratiquement toutes les autres molécules ou cellules d’un échantillon donné le font aussi », a déclaré la première auteure Fareeha Safir, étudiante au doctorat dans le laboratoire de Dionne. « Les globules rouges, les globules blancs et d’autres composants de l’échantillon renvoient leurs propres signaux, ce qui rend difficile, voire impossible, de distinguer les schémas microbiens du bruit des autres cellules. »
Un millilitre de sang – de la taille d’une goutte de pluie – peut contenir des milliards de cellules, dont seules quelques-unes pourraient être des microbes. L’équipe a dû trouver un moyen de séparer et d’amplifier la lumière réfléchie par les bactéries seules. Pour ce faire, ils se sont aventurés sur plusieurs tangentes scientifiques surprenantes, combinant une technologie vieille de quatre décennies empruntée à l’informatique – l’imprimante à jet d’encre – et deux technologies de pointe de notre époque – les nanoparticules et l’intelligence artificielle.
« La clé pour séparer les spectres bactériens des autres signaux est d’isoler les cellules dans des échantillons extrêmement petits. Nous utilisons les principes de l’impression à jet d’encre pour imprimer des milliers de minuscules points de sang au lieu d’interroger un seul grand échantillon », a expliqué le co-auteur Butrus » Pierre » Khuri-Yakub, professeur émérite de génie électrique à Stanford qui a contribué au développement de l’imprimante à jet d’encre originale dans les années 1980.
« Mais vous ne pouvez pas simplement vous procurer une imprimante à jet d’encre standard et ajouter du sang ou des eaux usées », a souligné Safir. Pour contourner les défis liés à la manipulation d’échantillons biologiques, les chercheurs ont modifié l’imprimante pour mettre les échantillons sur papier à l’aide d’impulsions acoustiques. Chaque point de sang imprimé ne représente alors que deux billionièmes de litre de volume, soit plus d’un milliard de fois plus petit qu’une goutte de pluie. À cette échelle, les gouttelettes sont si petites qu’elles ne peuvent contenir que quelques dizaines de cellules.
De plus, les chercheurs ont infusé les échantillons avec des nanotiges d’or qui se fixent aux bactéries, si elles sont présentes, et agissent comme des antennes, attirant la lumière laser vers les bactéries et amplifiant le signal environ 1500 fois sa force non améliorée. Correctement isolés et amplifiés, les spectres bactériens ressortent comme des pouces scientifiques endoloris.
La dernière pièce du puzzle est l’utilisation de l’apprentissage automatique pour comparer les différents spectres réfléchis par chaque point de fluide imprimé afin de repérer les signatures révélatrices de toute bactérie dans l’échantillon.
« Il s’agit d’une solution innovante qui a le potentiel de sauver des vies. Nous sommes maintenant enthousiasmés par les opportunités de commercialisation qui peuvent aider à redéfinir la norme de détection bactérienne et de caractérisation unicellulaire », a déclaré le co-auteur principal Amr Saleh, ancien chercheur postdoctoral en laboratoire de Dionne et maintenant professeur à l’Université du Caire.
Catalyseur de collaboration
Ce type de collaboration interdisciplinaire est une caractéristique de la tradition de Stanford dans laquelle des experts de domaines apparemment disparates apportent leur expertise variée pour résoudre des problèmes de longue date ayant un impact sociétal.
Cette approche particulière a éclos lors d’une réunion à l’heure du déjeuner dans un café du campus et, en 2017, a été parmi les premiers bénéficiaires d’une série de subventions de 3 millions de dollars distribuées par le Catalyst for Collaborative Solutions de Stanford. Les subventions Catalyst visent spécifiquement à inspirer la prise de risques interdisciplinaires et la collaboration entre les chercheurs de Stanford dans des domaines hautement gratifiants tels que les soins de santé, l’environnement, l’autonomie et la sécurité.
Bien que cette technique ait été créée et perfectionnée à l’aide d’échantillons de sang, Dionne est également convaincue qu’elle peut être appliquée à d’autres types de fluides et de cellules cibles au-delà des bactéries, comme tester la pureté de l’eau potable ou peut-être repérer les virus plus rapidement, plus précisément et à moindre coût. coût que les méthodes actuelles.
