Les scientifiques de l'UC Riverside ont développé un outil basé sur les nanopores qui pourrait aider à diagnostiquer les maladies beaucoup plus rapidement et avec une plus grande précision que ne le permettent les tests actuels, en capturant les signaux de molécules individuelles.
Étant donné que les molécules que les scientifiques souhaitent détecter – généralement certaines molécules d'ADN ou de protéines – mesurent environ un milliardième de mètre de large, les signaux électriques qu'elles produisent sont très faibles et nécessitent des instruments de détection spécialisés.
« À l'heure actuelle, il faut des millions de molécules pour détecter des maladies. Nous montrons qu'il est possible d'obtenir des données utiles à partir d'une seule molécule », a déclaré Kevin Freedman, professeur adjoint de bio-ingénierie à l'UCR et auteur principal d'un article sur l'outil. dans Nanotechnologie naturelle. « Ce niveau de sensibilité pourrait faire une réelle différence dans le diagnostic des maladies. »
Le laboratoire de Freedman vise à construire des détecteurs électroniques qui se comportent comme des neurones dans le cerveau et peuvent conserver des souvenirs : en particulier, les souvenirs des molécules précédemment passées à travers le capteur. Pour ce faire, les scientifiques de l'UCR ont développé un nouveau modèle de circuit qui prend en compte de petits changements dans le comportement du capteur.
Au cœur de leur circuit se trouve un nanopore, une petite ouverture à travers laquelle les molécules passent une à la fois. Des échantillons biologiques sont chargés dans le circuit avec des sels qui se dissocient en ions.
Si des molécules de protéines ou d’ADN de l’échantillon traversent le pore, cela réduit le flux d’ions pouvant passer. « Notre détecteur mesure la réduction du flux provoquée par le passage d'une protéine ou d'un morceau d'ADN et bloquant le passage des ions », a déclaré Freedman.
Pour analyser les signaux électriques générés par les ions, suggère Freedman, le système doit tenir compte de la probabilité que certaines molécules ne soient pas détectées lorsqu'elles traversent le nanopore.
Ce qui distingue cette découverte, c'est que le nanopore n'est pas seulement un capteur mais agit lui-même comme un filtre, réduisant le bruit de fond provenant d'autres molécules d'un échantillon qui pourraient obscurcir les signaux critiques.
Les capteurs traditionnels nécessitent des filtres externes pour supprimer les signaux indésirables, et ces filtres peuvent accidentellement supprimer des informations précieuses des échantillons. L'approche de Freedman garantit que le signal de chaque molécule est préservé, améliorant ainsi la précision des applications de diagnostic.
Freedman envisage que l'appareil soit utilisé pour développer un petit kit de diagnostic portable, pas plus grand qu'une clé USB, qui pourrait détecter les infections dès les premiers stades. Même si les tests actuels ne permettent pas d'enregistrer les infections plusieurs jours après l'exposition, les capteurs nanopores peuvent détecter les infections dans les 24 à 48 heures. Cette capacité offrirait un avantage significatif pour les maladies à propagation rapide, permettant une intervention et un traitement plus précoces.
Les nanopores offrent un moyen de détecter les infections plus tôt, avant l'apparition des symptômes et avant que la maladie ne se propage. Ce type d'outil pourrait rendre le diagnostic précoce beaucoup plus pratique pour les infections virales et les maladies chroniques. »
Kevin Freedman, professeur adjoint de bio-ingénierie à l'UCR
En plus des diagnostics, l’appareil est prometteur pour faire progresser la recherche sur les protéines. Les protéines jouent un rôle essentiel dans les cellules et même de légers changements dans leur structure peuvent affecter la santé. Les outils de diagnostic actuels ont du mal à faire la différence entre les protéines saines et celles pathogènes en raison de leurs similitudes. Le dispositif nanopore, cependant, peut mesurer des différences subtiles entre les protéines individuelles, ce qui pourrait aider les médecins à concevoir des traitements plus personnalisés.
La recherche rapproche également les scientifiques du séquençage de protéines à molécule unique, un objectif recherché depuis longtemps en biologie. Alors que le séquençage de l’ADN révèle des instructions génétiques, le séquençage des protéines donne un aperçu de la manière dont ces instructions sont exprimées et modifiées en temps réel. Cette compréhension plus approfondie pourrait conduire à une détection plus précoce des maladies et à des thérapies plus précises adaptées à chaque patient.
« Il y a beaucoup d'élan vers le développement du séquençage des protéines, car il nous donnera des informations que nous ne pouvons pas obtenir à partir de l'ADN seul », a déclaré Freedman. « Les nanopores nous permettent d'étudier les protéines d'une manière qui n'était pas possible auparavant. »
Les nanopores font l'objet d'une subvention de recherche financée par Freedman par l'Institut national de recherche sur le génome humain, dans le cadre de laquelle son équipe tentera de séquencer des protéines uniques. Ce travail s'appuie sur les recherches antérieures de Freedman visant à affiner l'utilisation des nanopores pour détecter des molécules, des virus et d'autres entités à l'échelle nanométrique. Il considère ces progrès comme un signe de la façon dont le diagnostic moléculaire et la recherche biologique pourraient évoluer à l’avenir.
« Il reste encore beaucoup à apprendre sur les molécules qui sont à l'origine de la santé et des maladies », a déclaré Freedman. « Cet outil nous rapproche encore plus de la médecine personnalisée. »
Freedman s'attend à ce que la technologie des nanopores devienne bientôt une fonctionnalité standard dans les outils de recherche et de soins de santé. À mesure que ces appareils deviennent plus abordables et accessibles, ils pourraient trouver leur place dans les kits de diagnostic quotidiens utilisés à domicile ou en clinique.
« Je suis convaincu que les nanopores feront partie de la vie quotidienne », a déclaré Freedman. « Cette découverte pourrait changer la façon dont nous les utiliserons à l'avenir. »
