Révolutionner la détection précoce des maladies avec la biotechnologie à l'échelle nanométrique

Imaginez un avenir où les bilans annuels de routine sont complétés par une puce diagnostique domestique rentable. En analysant un seul échantillon d'urine, les patients peuvent surveiller en continu leur santé de base, et tout changement subtil de biomarqueur — signaux précoces potentiels de cancer ou infection virale — peut être détecté rapidement.

Les tests au point de soin, comme le test de grossesse à domicile apparu dans les années 1970, ont transformé la surveillance de la santé personnelle. Ces tests détectent la gonadotrophine chorionique humaine dans l'urine avec une simple bandelette, offrant des résultats instantanés sans visite en clinique. Le même principe peut être étendu pour détecter des conditions bien plus complexes, à condition de pouvoir isoler les nanoparticules pertinentes des fluides corporels.

Puce nanoDLD 2 cm × 2 cm d'IBM Research montée dans un montage microfluidique

Réinventer le diagnostic au point de soin

Au sein d'IBM Research, une équipe transversale dirigée par le Dr Joshua Smith, maître inventeur et scientifique de recherche, et le Dr Gustavo Stolovitzky, directeur de programme d'IBM Translational Systems Biology and Nanobiotechnology, réinvente la technologie silicium pour un usage biomédical. Leur objectif : séparer les nanoparticules — tels que composants viraux et vésicules dérivées de tumeurs — à partir de fluides facilement obtenus comme l'urine ou la salive.

Les méthodes de séparation actuelles exigent des équipements coûteux, un laboratoire complet et des techniciens qualifiés, rendant le dépistage fréquent impraticable. Une solution nanotechnologique sur puce pourrait offrir une alternative simple, abordable et rapide, permettant aux cliniciens de détecter la maladie même avant l'apparition des symptômes.

nanoDLD : le moteur de l'innovation

En utilisant le déplacement latéral déterministe à l'échelle nanométrique (nanoDLD), un échantillon liquide traverse une puce de silicium structurée avec un réseau de piliers asymétriques. Ce design trie les particules par taille : les plus petites zigzaguent le long du flux, tandis que les plus grosses sont déplacées latéralement, akin à des véhicules forcés dans la bonne voie sur une autoroute. Le résultat est une séparation continue, résolue par taille, jusqu'à quelques dizaines de nanomètres.

L'équipe de Smith et Stolovitzky a isolé avec succès des exosomes aussi petits que 20 nm — environ 1/5 000e d'un cheveu humain — ainsi que de l'ADN, des virus et des complexes protéiques. Ces minuscules bioparticules peuvent transporter des informations cruciales sur l'apparition précoce de maladies, l'exposition virale ou la progression de la maladie.

« L'impact sociétal de cette recherche est qu'elle pourrait permettre aux médecins de détecter le cancer tôt… quand il y a plus de possibilités de guérison », a déclaré Stolovitzky. « Nous visons à créer un petit outil diagnostique abordable capable de détecter de minuscules quantités de biomarqueurs qui informent les cliniciens sur la santé d'un patient. »

Échelle de la biologie de l'humain aux atomes et les nouvelles gammes nanoscopiques que le dispositif nanoDLD d'IBM Research peut atteindre [infographie complète]

Exosomes : minuscules messagers, grandes perspectives

En collaboration avec le Mount Sinai Health System, dirigé par le Dr Carlos Cordon‑Cardo, l'expertise de Mount Sinai en pathologie du cancer complète la bioinformatique et la technologie nanofluidique d'IBM. Les exosomes — vésicules dérivées de cellules présentes dans le sang et l'urine — servent de riches réservoirs de protéines, fragments d'ADN et d'ARN, offrant un instantané non invasif de la communication cellulaire.

« Les cellules envoient des messages via les exosomes, encapsulant protéines, ADN et ARN. En décodant ces enveloppes, nous pouvons obtenir des signaux d'alerte précoce de maladie », a expliqué Cordon‑Cardo. « Les exosomes pourraient devenir la pierre angulaire de la santé préventive, nous permettant d'identifier les problèmes avant qu'ils ne se manifestent cliniquement. »

Avec la puce nanoDLD, les cliniciens peuvent « écouter » les conversations intercellulaires, surveillant les changements dans le contenu exosomal qui précèdent la pathologie manifeste. Une surveillance régulière pourrait transformer la gestion des maladies en une démarche proactive plutôt que réactive.

Micrographie électronique d'exosomes sur une surface.

Cancer de la prostate : une étude de cas pour la détection précoce

Le cancer de la prostate reste le cancer le plus courant chez les hommes aux États-Unis. Le dépistage actuel repose sur les tests d'antigène prostatique spécifique (PSA), qui peuvent produire des faux positifs et négatifs. En analysant les biomarqueurs exosomaux, le partenariat IBM–Mount Sinai espère identifier la maladie avec une sensibilité et une spécificité plus élevées.

« Les exosomes révèlent ce qu'une cellule cancéreuse traite sans avoir besoin de toucher la tumeur », a dit Stolovitzky. « En détectant leur présence et leur contenu, nous pouvons obtenir des informations sur la biologie de la tumeur dès le début. »

Du banc au lit du patient

La publication récente de l'équipe dans Nature Nanotechnology (DOI : 10.1038/NNANO.2016.134) détaille la capacité de la puce nanoDLD à séparer les exosomes jusqu'à 20 nm. Les prochaines étapes incluent l'augmentation du débit, l'affinage de la puce pour capturer des particules inférieures à 20 nm, et la validation des biomarqueurs dans des échantillons cliniques. Une fois prouvée, la plateforme évoluera vers un dispositif clinique de point de soin qui pourrait miroir l'impact du test de grossesse sur la santé des femmes.

Note :

*Nature Nanotechnology : Nanoscale Lateral Displacement Arrays for Separation of Exosomes and Colloids Down to 20 nm, DOI : 10.1038/NNANO.2016.134

Benjamin H. Wunsch (IBM Research), Joshua T. Smith (IBM Research), Stacey M. Gifford (IBM Research), Chao Wang (affiliation actuelle : Arizona State University), Markus Brink (IBM Research), Robert Bruce (IBM Research), Robert H. Austin (Princeton University), Gustavo Stolovitzky (IBM Research), et Yann Astier (affiliation actuelle : Roche Molecular Systems)