Un capteur optique détecte des biomarqueurs du cancer à des concentrations ultrafaibles dans le sang

Des chercheurs ont mis au point un capteur optique hautement sensible capable de détecter des concentrations extrêmement faibles de biomarqueurs du cancer dans le sang. Dans une étude publiée dans la revue Optica, les capteurs ont réussi à repérer un biomarqueur du cancer du poumon dans des échantillons sanguins même lorsque seules quelques molécules étaient présentes, ce qui ouvre des perspectives pour le dépistage précoce lorsque les niveaux de biomarqueurs sont trop faibles pour être détectés par les méthodes conventionnelles.

Le capteur a détecté des biomarqueurs du cancer du poumon issus d’échantillons de patients à des niveaux sub-attomolaires, en produisant un signal net même lorsque seules quelques molécules étaient présentes dans l’échantillon. Des biomarqueurs tels que des protéines, de l’ADN ou d’autres molécules peuvent révéler la présence, la progression ou le risque de cancer et d’autres maladies. Cependant, l’un des principaux défis du diagnostic précoce est la concentration extrêmement faible des biomarqueurs au début de la maladie.

« Notre capteur combine des nanostructures constituées d’ADN avec des boîtes quantiques et la technologie d’édition génomique CRISPR afin de détecter de faibles signaux de biomarqueurs à l’aide d’une approche optique appelée génération de seconde harmonique (SHG) », a déclaré le responsable de l’équipe de recherche de la Shenzhen University, en Chine. « Si elle s’avère concluante, cette approche pourrait contribuer à simplifier les traitements, à potentiellement améliorer les taux de survie et à réduire le coût global des soins. »

Les capteurs reposent sur une couche plane de molybdène disulfure, un matériau semi-conducteur présentant des propriétés idéales pour soutenir la SHG — un phénomène optique qui divise par deux la longueur d’onde de la lumière incidente. Le nouveau capteur est basé sur la SHG, un processus optique non linéaire dans lequel la lumière entrante est convertie en une lumière de longueur d’onde moitié.

À l’aide de nanostructures d’ADN en forme de pyramide, les scientifiques ont arrimé des boîtes quantiques à des emplacements précis à la surface du capteur, augmentant l’intensité du signal SHG produit. Les chercheurs ont utilisé des tétraèdres d’ADN — des nanostructures auto-assemblées, en forme de pyramide, entièrement constituées d’ADN — pour arrimer de minuscules boîtes quantiques à des distances précises de la surface de MoS₂. Les boîtes quantiques renforcent le champ optique local, ce qui accroît le signal SHG.

Avec CRISPR, le capteur peut être programmé pour reconnaître n’importe quelle cible souhaitée. Ils ont appliqué l’édition génomique CRISPR-Cas pour détecter des biomarqueurs spécifiques. Lorsque la protéine Cas12a utilisée pour CRISPR reconnaît un biomarqueur cible, elle coupe l’ADN qui maintient les boîtes quantiques en place, ce qui provoque une baisse mesurable du signal SHG. Comme le signal SHG présente un bruit de fond minimal, même de très faibles concentrations de biomarqueurs peuvent être détectées.

« Au lieu de considérer l’ADN uniquement comme une substance biologique, nous l’utilisons comme des éléments de construction programmables, ce qui nous permet d’assembler les composants de notre capteur avec une précision de l’ordre du nanomètre », a expliqué le responsable de l’équipe. « En combinant une détection optique non linéaire, qui minimise efficacement le bruit de fond, avec une conception sans amplification, notre méthode offre un équilibre distinct entre rapidité et précision. »

Contrairement aux méthodes de détection conventionnelles, qui nécessitent l’amplification de la cible d’ADN ou d’ARN afin d’obtenir un signal suffisamment fort, ces capteurs quantiques peuvent détecter directement leur cible, même à des concentrations ultrafaibles. La détection de biomarqueurs exige généralement d’amplifier des quantités infimes de molécules, un processus pouvant être long et coûteux. Cette technologie pourrait donc accélérer considérablement les flux de travail et les rendre plus abordables, tout en évitant des erreurs potentielles introduites par des procédures d’amplification complexes.

Les chercheurs ont testé la conception de leur capteur en le programmant pour détecter miR-21, un biomarqueur de type microARN lié à la croissance et à la métastase du cancer du poumon. Après avoir vérifié qu’il pouvait détecter ce marqueur dans une simple solution tampon, ils ont également montré qu’il pouvait détecter le biomarqueur dans du sérum humain provenant de patients atteints d’un cancer du poumon, en simulant un véritable test sanguin.

« Le capteur a remarquablement bien fonctionné, montrant que l’intégration de l’optique, des nanomatériaux et de la biologie peut constituer une stratégie efficace pour optimiser un dispositif », a déclaré le responsable de l’équipe. « Le capteur s’est également montré très spécifique — il a ignoré d’autres brins d’ARN similaires et n’a détecté que la cible du cancer du poumon. »

La technique de détection a été conçue pour être programmable, ce qui pourrait lui permettre de détecter des virus, des bactéries ou des toxines environnementales, ainsi que divers biomarqueurs, notamment ceux associés à la maladie d’Alzheimer.

« Pour le diagnostic précoce, cette méthode est prometteuse pour permettre des dépistages sanguins simples du cancer du poumon avant qu’une tumeur ne soit visible au scanner (CT) », a déclaré le responsable de l’équipe. « Elle pourrait aussi faire progresser les options de traitement personnalisé en permettant aux médecins de suivre quotidiennement ou hebdomadairement les niveaux de biomarqueurs d’un patient afin d’évaluer l’efficacité d’un médicament, plutôt que d’attendre des mois les résultats d’imagerie. »

À l’avenir, l’équipe prévoit de continuer à améliorer la conception du capteur et à le miniaturiser, avec pour objectif ultime de développer un dispositif portable pouvant être facilement utilisé à la fois en milieu clinique et dans des zones isolées, afin de soutenir le dépistage précoce du cancer. Les chercheurs prévoient de se concentrer sur la miniaturisation de l’installation optique. Leur objectif est d’en faire un dispositif portable qui pourrait être utilisé au chevet du patient, en clinique, ou même dans des zones isolées à faibles ressources.