Près de 200 millions de personnes, dont des enfants, dans le monde entier, ont une endométriose, une maladie chronique dans laquelle la muqueuse de l'utérus grandit en dehors de l'utérus. Des symptômes plus graves, tels que des douleurs extrêmes et potentiellement de l'infertilité, peuvent souvent être atténués avec une identification et un traitement précoces, mais aucun test de diagnostic de point de service unique n'existe malgré l'accès au tissu directement impliqué. Alors que le professeur de Penn State, DiPanjan Pan, a déclaré que le sang et les tissus versés de l'utérus chaque mois sont souvent négligés – et même stigmatisés par certains – en tant que déchets médicaux, les effluents menstruels pouvaient permettre plus tôt, une détection plus accessible de marqueurs biologiques pour aider à diagnostiquer cette maladie.
Pan et son groupe ont développé un dispositif de preuve de concept capable de détecter HMGB1, une protéine impliquée dans le développement et la progression de l'endométriose, dans le sang menstruel avec 500% de sensibilité en plus que les approches de laboratoire existantes. The device, which looks and operates much like a pregnancy test in how it detects the protein, hinges on a novel technique to synthesize nanosheets made of the atomically thin 2D material borophene, according to Pan, Dorothy Foehr Huck & J. Lloyd Huck Chair Professor in Nanomedicine and corresponding author of the study detailing the team's work, published this week (July 17) on the cover of ACS Central Science.
« Malgré le potentiel important de l'effluent menstruel comme outil de diagnostic pour la santé des femmes, il est souvent confronté à des défis substantiels en raison de la stigmatisation sociale et de l'accès limité à des méthodes de diagnostic abordables », a déclaré Pan, professeur d'ingénierie nucléaire et de science et d'ingénierie des matériaux. Il est également affilié aux départements de génie biomédical et de radiation.
Les approches diagnostiques existantes impliquent des tests sanguins intraveineux et des analyses de laboratoire associées à des études d'imagerie et à une vaste collection d'antécédents des patients pour les cliniciens afin de faire un diagnostic définitif. De tels défis contribuent aux retards dans le diagnostic de l'endométriose, avec une étude de 218 femmes révélant un retard allant jusqu'à 12 ans aux États-Unis, a-t-il expliqué.
En tirant parti du nouveau borophène matériel 2D, notre approche offre une occasion unique de réduire la stigmatisation menstruelle tout en faisant progresser la santé des femmes. «
Dipanjan Pan, professeur, Penn State
Le borophène est un dérivé du bore d'élément chimique similaire au graphène plus couramment étudié, un matériau 2D léger en carbone, a déclaré Pan. Le borophène, cependant, possède un avantage sur le graphène.
« Les travaux de mon groupe démontrent que le borophène est très biocompatible et un matériau biodégradable, ce qui le rend très adapté aux applications biomédicales », a déclaré Pan, mais il a noté que la fabrication de la forme pure du matériau peut poser des défis. Les méthodes traditionnelles impliquent plusieurs étapes, qui peuvent dégrader la qualité et le rendement du produit résultant souhaité, et des solvants durs, comme l'alcool isopropylique, qui peuvent rendre le produit inadapté aux applications biomédicales.
Dans cette étude, les chercheurs ont échangé le solvant d'alcool contre l'eau. Ils ont dispersé du bore en poudre dans l'eau, décomposant le produit chimique et le réformant en nanofeuilles « vierges », selon Pan. L'équipe a ensuite fixé des anticorps qui reconnaîtraient la protéine HMGB1 aux nanofeuilles.
« Pensez à planter un jardin », a déclaré Pan. « Le sol – les nanofeuilles – doit être uniforme et clair des mauvaises herbes avant de pouvoir fertiliser le sol – en ajoutant les anticorps. Ensuite, vous avez le meilleur environnement pour soutenir les légumes souhaités – les protéines HMGB1. C'était notre objectif ici, pour créer une base uniforme sur laquelle les anticorps pouvaient reconnaître et capturer les protéines HMGB1. »
Pan et son équipe ont utilisé plusieurs techniques d'imagerie et d'analyse chimique pour valider que les anticorps ont correctement capturé et lié à HMGB1, la protéine impliquée dans l'endométriose.
Les chercheurs ont organisé les nanofeuilles validés dans un dispositif de test, similaire à un test de grossesse qui affiche une ligne si négatif ou deux s'il est positif. Au fur et à mesure que l'échantillon de sang s'écoule sur la bande de test, si des protéines HMGB1 sont présentes, elles se lient aux anticorps, ce qui assombrit la bande de test.
Pour tester la sensibilité du dispositif, les chercheurs ont engendré du sang menstruel avec diverses concentrations de HMGB1 et ont trouvé que le test a détecté avec succès la protéine à de faibles concentrations avec cinq fois plus de sensibilité par rapport aux tests de laboratoire existants qui nécessitent une préparation et une analyse approfondies.
« Les preuves cliniques indiquent que les niveaux de HMGB1 dans le sang menstruel sont significativement élevés chez les personnes atteintes d'endométriose par rapport aux témoins sains », a déclaré Pan. « Cependant, les cas à un stade précoce ou asymptomatiques peuvent ne présenter que des augmentations modestes – c'est pourquoi une sensibilité élevée aux faibles concentrations de HMGB1 est essentielle. La détection précoce est essentielle pour une intervention en temps opportun. Contrairement aux autres tests en laboratoire, notre approche équilibre la sensibilité avec la praticité pour les paramètres sans accès médical centralisé et les installations de laboratoire, répondant aux besoins de l'endométriose. »
Pan a déclaré que le test pourrait même être intégré dans les coussinets menstruels, permettant une surveillance discrète et pratique des niveaux de HMGB1 à la maison.
« La capacité de détecter les biomarqueurs d'une importance critique via une plate-forme décentralisée, comme notre approche, permet aux patients de faciliter une utilisation généralisée dans des zones ou des milieux plus ruraux sans ressources médicales expansives », a déclaré Pan. « Cette étude met en évidence les possibilités de recherche plus larges essentielles pour réaliser des biotechnologies de nouvelle génération, avec des matériaux 2D à la base, et je suis enthousiasmé par le potentiel de cette classe de nanomatériaux très prometteurs pour des applications de soins de santé avancées. »
Ensuite, les chercheurs ont déclaré qu'ils prévoyaient d'étendre leur approche pour les études cliniques, d'améliorer encore la sensibilité de l'appareil et d'étendre le test pour détecter des biomarqueurs supplémentaires de maladies telles que le VPH et le cancer du col utérin.
D'autres contributeurs, tous ceux qui travaillent ou ont terminé, le travail en tant qu'étudiants du laboratoire de PAN à Penn State, incluent les co-auteurs de Satheesh Natarajan, chercheur postdoctoral en génie nucléaire, et Ketan Dighe, étudiant diplômé en génie biomédical; Teresa Aditya, professeur adjoint de recherche en génie nucléaire; Pranay Saha, chercheur postdoctoral en génie nucléaire; David Skrodzki, étudiant diplômé en sciences des matériaux et en génie; Purva Gupta, qui est diplômée de Penn State avec un baccalauréat ès sciences en génie biomédical en mai et qui a aidé à soutenir l'effort pour établir des distributeurs de produits menstruels gratuits à travers University Park en 2023; Nivetha Gunaseelan, doctorante en génie biomédical; Shraddha Krishnakumar, doctorant en génie biomédical. Dighe, Gupta et Gunaseelan ont reçu la première académie nationale des inventeurs du Dr Barry B. Bercu Biomedical Collegiate Inventeur Prix en 2024 pour leur travail sur ce projet.
Les Centers for Disease Control and Prevention, la US National Science Foundation, le Programme de recherche médicale dirigé par le Congrès du ministère de la Défense et les National Institutes of Health ont soutenu ce travail.
