La détection rapide, accessible et très précise des substances addictives telles que les opiacés et la cocaïne est essentielle pour réduire les effets personnels et sociétaux néfastes de la dépendance, ce que les systèmes actuels de détection des drogues peuvent prendre trop de temps à fournir. Cependant, la surveillance sur place et en temps réel des drogues consommées dans le système d’un patient pourrait alerter les cliniciens avant que des niveaux dangereux ne soient atteints, et une telle approche n’est peut-être pas loin.
Les méthodes de détection de drogue pour les patients toxicomanes sont lentes et pas assez agiles en raison de la complexité du système actuel, selon Slava V. Rotkin, professeur Frontier en sciences de l’ingénieur et mécanique avec une nomination au Materials Research Institute, à Penn State. Rotkin est co-auteur d’un article de synthèse dans la revue de nanotechnologie Small qui propose une solution possible : les biocapteurs.
Le premier objectif de notre article de synthèse est d’attirer l’attention sur le problème afin qu’une personne travaillant dans le domaine de la prévention de la toxicomanie puisse accéder à des centaines de références. Le deuxième objectif est que les articles de synthèse sont généralement lus plus souvent que l’article original, nous espérons que nous pourrons atteindre un public plus large de chercheurs et du grand public grâce à l’attention des médias. Et nous présentons les biocapteurs comme une solution possible. »
Slava V. Rotkin, professeur Frontier de sciences de l’ingénieur et de mécanique, Penn State Materials Research Institute
Les statistiques démontrent l’importance médicale d’une détection améliorée et plus rapide des drogues dans le corps humain. Selon le CDC, les décès par surdose de drogue ont augmenté de 137 % entre 2000 et 2014, y compris une augmentation de 200 % des décès par surdose impliquant des opioïdes tels que les analgésiques opioïdes et l’héroïne.
L’un des outils clés pour lutter contre cette épidémie de dépendance est la détection de drogue chez les utilisateurs, ont déclaré les chercheurs. La méthode classique en laboratoire de surveillance de la présence de médicaments dans le sang ou l’urine des patients, qui va des simples tests chimiques de couleur comme la chromatographie sur couche mince à des méthodes plus complexes comme la chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse, est fiable et précise. Cependant, ils exigent que les échantillons soient envoyés hors site, ce qui est un processus long et coûteux. Une méthode rapide, moins coûteuse et plus constante de surveillance d’une éventuelle consommation de médicaments pourrait alerter les praticiens avant les surdoses de leurs patients.
« Si l’analyse est très coûteuse, vous allez limiter la fréquence à laquelle vous effectuez l’analyse », a déclaré Rotkin. « Cela doit être bon marché, efficace et simple. Aussi simple que possible, car vous devez prélever l’échantillon de sang du patient, puis vous devez nettoyer le sang, préparer les échantillons et prendre une heure du temps d’un spécialiste à distance Cela peut coûter très cher et vous n’irez donc pas pour une analyse régulière à moins que ce ne soit très, très nécessaire. Mais pour la dépendance, vous devriez le faire plus fréquemment, simplement parce que le problème est si aigu.
Dans l’article de synthèse, l’équipe internationale de chercheurs, dont Rotkin, a répertorié 203 références à un grand nombre d’articles de recherche qui indiquent que les biocapteurs ont beaucoup de potentiel pour relever ces défis. Les biocapteurs pourraient potentiellement résoudre ce problème en fournissant une analyse à haute sensibilité et à faible coût d’un patient sur une base continue. Un dispositif biocapteur comprend un petit capteur qui est exposé à un matériau biologique et produit un signal chimique, optique ou électrique en réponse à un biostimulus. La conception de ces biocapteurs a considérablement évolué au cours des deux dernières décennies et est apparue sur le marché sous la forme de capteurs de glucose en vente libre pour les patients diabétiques et de tests de grossesse à domicile. Cependant, pour le type de capteurs nécessaires à la détection de drogue, Rotkin et ses co-auteurs notent qu’il y a un problème : la taille.
« Sur la base de ce que nous avons actuellement dans les biocapteurs, nous sommes comme au début des années 1990 avec les téléphones portables », a déclaré Rotkin. « Nous utilisions ces énormes téléphones portables qui auraient à peu près la taille d’un téléphone fixe normal à l’époque, et il fallait un sac pour le transporter. »
L’utilisation de nanomatériaux est prometteuse et pourrait potentiellement permettre un biocapteur pour la détection des opiacés et de la cocaïne qui serait suffisamment petit pour être inclus dans un pansement. Les nanomatériaux fourniraient une plate-forme pour les biorécepteurs et fourniraient une « nanoarchitecture » sur laquelle construire des dispositifs de détection très sensibles, rapides et de petite taille.
Le document de synthèse proposait des capteurs à base d’aptamères pour la détection de drogues. Les aptamères sont de courtes séquences d’ARN, d’ADN ou de peptides. Les molécules d’aptamères peuvent être conçues spécifiquement comme éléments de reconnaissance pour les biocapteurs. Des propriétés telles qu’une très petite taille, un processus de production rapide et peu coûteux, une biocompatibilité et une grande stabilité les rendent idéales pour un tel biocapteur.
« Dans le document, nous avons décrit toutes les technologies existantes et pesé le pour et le contre », a déclaré Rotkin. « Cela inclut le grand nombre de capteurs qui existent actuellement basés sur la détection électrochimique, qui sont extrêmement simples et bon marché. Mais en raison de sa robustesse, ce qui signifie qu’il peut détecter n’importe quoi, alors la question est de savoir si vous pouvez être sélectif et le faire se concentrer spécifiquement sur ce que vous voulez détecter. Ici, les aptamères, qui sont conçus pour être sélectifs, doivent vous aider.
Parmi les autres technologies qu’ils ont examinées, citons la détection optique, qui fonctionne sur la base de la modification des propriétés optiques par un stimulus qui génère un signal proportionnel à la concentration d’une substance ou à ses « empreintes digitales » optiques. Rotkin collabore avec les chercheurs de l’Université de Caroline du Nord-Greensboro sur de tels dispositifs utilisant des hétérostructures de matériaux 2D.
Les capteurs supplémentaires qu’ils ont examinés comprenaient des capteurs microfluidiques, qui ne nécessitent qu’un petit volume d’échantillons pour l’analyse ; des capteurs piézoélectriques, qui réagissent aux contraintes mécaniques appliquées ; et les capteurs électromécaniques, qui intéressent les chercheurs car ils sont flexibles et peuvent détecter des composés et des particules de taille microscopique.
Les auteurs de l’article de synthèse ont conclu que les principaux obstacles à surmonter pour créer de si petits biocapteurs portables pour les patients toxicomanes comprennent la nécessité d’améliorer la reproductivité des biocapteurs, en particulier lors de l’analyse de milieux d’échantillons complexes, et la capacité de produire un capteur qui ne ne nécessitent pas le prétraitement des échantillons pour les analyser. En outre, les auteurs ont conclu que davantage de financement est nécessaire pour développer des biocapteurs commercialisables à bas prix et avec les paramètres analytiques corrects.
« Vous avez besoin d’un financement approprié pour que ce biocapteur commercialisable se produise », a déclaré Rotkin. « Et c’est toujours un défi. Donc, moi-même et mes collègues auteurs espérons que peut-être que lorsque les gens verront cette revue, cela leur permettra, dans un article, de voir ce que les gens ont fait. Peut-être qu’ils pourront suivre l’un des capteurs recherchés. types et aller de l’avant jusqu’à ce que nous obtenions le vrai produit. »
« Ce n’est pas quelque chose que tout le monde peut faire dans son propre laboratoire, il faudrait donc un certain temps pour créer un produit fini », a déclaré Rotkin. « Et puis vous avez besoin de l’approbation de la FDA, ce qui prend encore environ un an, puis vous devez le fabriquer. J’estimerais que l’ensemble du cycle peut prendre jusqu’à 10 ans. Peut-être qu’il peut être développé et commercialisé via une entreprise dérivée. créé à l’Université, et il se trouve que nous avons un incubateur ici -; Invent Penn State. »
