Une équipe de scientifiques internationaux de l’Université technologique de Nanyang à Singapour (NTU Singapour), de l’hôpital Tan Tock Seng (TTSH) à Singapour et du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a mis au point une méthode simple pour extraire de minuscules particules biologiques du sang d’une personne et les utiliser comme biomarqueurs pour évaluer la santé de leurs vaisseaux sanguins.
Les biomarqueurs sont des particules nanométriques appelées vésicules extracellulaires (VE) qui sont libérées par des cellules spécifiques dans la circulation sanguine. Leur travail consiste à transporter des biomatériaux, tels que des protéines et des acides nucléiques d’une cellule à l’autre.
Dans un article publié en juin 2021 dans Société royale de chimie – Laboratoire sur une puce, l’équipe a montré que les échantillons de sang de plusieurs patients diabétiques présentaient une quantité anormalement élevée d’EV circulants sécrétés par les cellules immunitaires et plaquettaires (10 à 50 fois plus), par rapport aux autres patients diabétiques.
L’équipe a découvert lors d’expériences en laboratoire que lorsque ces véhicules électriques (provenant des six patients présentant un nombre élevé de véhicules électriques) étaient ajoutés aux cellules vasculaires, ils induisaient des niveaux plus élevés de marqueurs d’inflammation vasculaire. Les résultats suggèrent que les patients ayant des VE élevés dans leur sang peuvent éventuellement être plus à risque de développer des complications vasculaires à long terme.
Les résultats ont été rapportés par une équipe interdisciplinaire dirigée conjointement par le professeur adjoint Hou Han Wei de l’École de génie mécanique et aérospatial et le président de NTU, le professeur Subra Suresh, en collaboration avec le professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux de NTU Dalton Tay, le professeur agrégé Rinkoo Dalan, Consultant, Endocrinologie, TTSH, et Scientifique principal du MIT et professeur invité NTU, Dr Ming Dao.
Dans leur document de recherche, l’équipe a expliqué comment leur prototype de « laboratoire sur puce » peut automatiquement séparer les véhicules électriques des échantillons de sang en une heure – environ un cinquième du temps habituellement nécessaire à l’aide des méthodes de centrifugation conventionnelles.
Comment fonctionne la nouvelle puce
Nommée « ExoDFF » (Exosome isolation using Dean Flow Fractionation), la puce microfluidique envoie d’abord un échantillon de sang à travers un canal en forme de spirale à grande vitesse.
Sur la base des effets centrifuges et inertiels – le mouvement du fluide et les forces hydrodynamiques agissant sur les particules dans le fluide – les plus grosses cellules sanguines sont tournées dans une direction tandis que les plus petites VE s’écoulent plus rapidement et sont dirigées vers une sortie différente pour la collecte.
La référence mondiale actuelle pour séparer les véhicules électriques du sang à l’aide de l’ultracentrifugation prend du temps (jusqu’à cinq heures) et capture très peu de véhicules électriques de l’échantillon de sang. Il est également laborieux et non standardisé car différents laboratoires ont des protocoles différents pour extraire et purifier les véhicules électriques.
En comparaison, l’utilisation de la puce ExoDFF permet de combiner le processus de séparation et d’enrichissement des véhicules électriques en une seule étape et ne nécessite pas d’expertise qualifiée, a déclaré le professeur adjoint Hou, également professeur à la Lee Kong Chian School of Medicine de NTU.
« Nous avons travaillé en étroite collaboration avec notre partenaire clinicien TTSH pour garantir que le fonctionnement en une seule étape de la puce est tout ce qui est nécessaire pour extraire facilement les véhicules électriques pour l’analyse. La microfluidique est maintenant une technologie mature, et avec notre expertise approfondie dans ce domaine, nous pouvons concevoir facilement des solutions microfluidiques uniques pour isoler diverses cellules et biomarqueurs du sang humain », explique le professeur adjoint Hou, qui a précédemment inventé un laboratoire sur puce pour analyser l’état du système immunitaire d’une personne en 2019.
Impact potentiel de l’innovation
Plus de 422 millions de personnes dans le monde souffrent de diabète et à Singapour, 10 pour cent de sa population (plus de 400 000) souffre de la maladie métabolique, tandis que les maladies cardiovasculaires représentent quelque 31 % des décès dans le monde, y compris à Singapour.
Le professeur Assoc Rinkoo Dalan, qui est également professeur adjoint à la Lee Kong Chian School of Medicine, a déclaré : « Les maladies cardiovasculaires (MCV) ont causé 18,6 millions de décès dans le monde en 2019, dont 58 % en Asie. Malgré des progrès significatifs dans le traitement, la mortalité et la morbidité associées à l’athérosclérose restent élevées. »
« Nous avons besoin de méthodes pour catégoriser le risque potentiel pour notre diabète et d’autres patients à haut risque bien avant que des dommages importants ne se produisent dans les artères afin que nous puissions instituer des méthodes préventives. Cette innovation a le potentiel de détecter le risque tôt afin que les méthodes préventives puissent puis aider à limiter la progression des dommages aux vaisseaux sanguins.
« Cette innovation est particulièrement bénéfique car elle coïncide avec le développement de nouveaux agents anti-inflammatoires comme le canakinumab qui a le potentiel de prévenir les maladies cardiovasculaires chez ces patients, ainsi que d’autres médicaments spécifiques au diabète comme les inhibiteurs du SGLT2 qui peuvent donner certains effets protecteurs pour le cœur. Ces médicaments peuvent ensuite être administrés aux patients qui présentent un risque plus élevé de développer une maladie cardiovasculaire. L’appareil a également le potentiel d’être utilisé pour évaluer l’effet de traitements sur les artères. «
Être capable d’identifier les patients diabétiques qui présentent une inflammation vasculaire accrue pourrait donner aux médecins un avantage dans le traitement des maladies cardiovasculaires à un stade précoce avant qu’elles n’évoluent vers une maladie plus grave nécessitant un traitement plus invasif impliquant des stents ou une intervention chirurgicale. »
Prof Subra Suresh, professeur d’université distingué à NTU
Actuellement, la puce de séparation EV peut traiter jusqu’à 5 ml de sang en une heure. Comme la conception ExoDFF est évolutive, peu coûteuse (chaque puce ne coûtera que quelques dollars à fabriquer) et ne nécessite aucun produit chimique, elle peut être conçue pour traiter de plus grands volumes d’échantillons ou adaptée pour être utilisée pour la fabrication à base de cellules ou de véhicules électriques. thérapies à base de cellules souches, telles que la thérapie par cellules souches.
L’équipe espère développer une version automatisée et plus petite « de la taille d’une imprimante » de la machine pour une utilisation clinique et de recherche.
L’équipe prévoit également de mener plus d’expériences sur un plus grand échantillon de patients pour valider davantage leur hypothèse d’utilisation des véhicules électriques comme biomarqueurs non traditionnels pour la stratification du risque des patients diabétiques.
