Un biosenseur graphène flexible pour la détection rapide et ultrasensible des cellules cancéreuses de l'ovaire

Résumé

La détection précoce du cancer de l'ovaire reste un défi critique, principalement en raison de symptômes non spécifiques et de l'absence d'outils de dépistage fiables. Nous présentons un biosenseur graphène flexible et rentable, fabriqué sur téréphtalate de polyéthylène (PET), qui détecte les cellules tumorales circulantes (CTC) avec une haute sensibilité et rapidité. Le capteur distingue entre le milieu de culture cellulaire et les suspensions de cellules cancéreuses de l'ovaire, répond distinctement à différents types cellulaires, et maintient une limite de détection de seulement quelques dizaines de cellules par millilitre. Remarquablement, le biosenseur délivre une réponse électrique mesurable en 5 secondes, offrant une plateforme prometteuse pour un diagnostic rapide au point de soin.

Résumé graphique

Introduction

Le cancer de l'ovaire est la deuxième malignité gynécologique la plus prévalente et la principale cause de décès chez les femmes atteintes de cancers gynécologiques. Les stratégies de dépistage actuelles — imagerie combinée au test d'antigène CA125 — offrent une sensibilité limitée, particulièrement aux stades précoces, où les taux de survie chutent fortement. Les tumeurs de stade précoce libèrent des CTC dans la circulation sanguine, fournissant un biomarqueur non invasif qui, s'il est détecté avec une sensibilité suffisante, pourrait transformer les résultats pour les patientes. Bien que plusieurs techniques immunomagnétiques et microfluidiques aient été développées, aucune n'égale encore la haute spécificité et le délai rapide nécessaires pour l'adoption clinique.

Le graphène, un réseau bidimensionnel de carbone sp², s'est imposé comme une plateforme polyvalente pour la biosenseur grâce à sa conductivité électrique exceptionnelle et sa grande surface. Les dispositifs antérieurs à base de graphène ont quantifié avec succès des biomarqueurs protéiques comme le CEA et le PSA, pourtant les biosenseurs graphène flexibles et peu coûteux pour les CTC du cancer de l'ovaire restent inexplorés. Cette étude introduit un capteur graphène/PET fabriqué à la main qui comble ces lacunes en combinant flexibilité mécanique, réponse rapide et haute sensibilité.

Matériaux et Méthodes

Croissance et transfert du film de graphène

Le graphène monocouche a été synthétisé sur feuille de cuivre par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). La feuille a subi un nettoyage de 5 minutes à l'acide chlorhydrique, suivi de rinçages à l'eau déionisée et séchage à l'azote. Dans la chambre CVD, la température a été montée à 1000 °C sous atmosphère d'hydrogène (50 sccm) pendant 20 minutes, puis du méthane (50 sccm) a été introduit pendant 20 minutes supplémentaires pour croître la couche de graphène. Après refroidissement, le substrat graphène/Cu a été découpé, enduit de PMMA, et le cuivre a été gravé dans FeCl₃ 1 M. La pile PMMA/graphène a été rincée, transférée sur PET, et le PMMA a été retiré à l'acétone pour obtenir un film graphène/PET.

Fabrication des biosenseurs à base de graphène

Le film de graphène a été découpé en pièces de 1 cm × 2 cm et transféré sur PET. Deux électrodes en pâte d'argent ont été positionnées centralement. Un puits en gel de silicone, mesurant quelques millimètres en longueur et largeur et ~1 mm en hauteur, a été coulé autour des électrodes pour créer un puits cellulaire. Le capteur complété a été vérifié avec un analyseur de semi-conducteurs Agilent 4155B.

Culture de cellules cancéreuses ovariennes SKOV3

Les cellules SKOV3 (obtenues du laboratoire public du Second Hôpital affilié de Chine de l'Ouest) ont été cultivées en milieu RPMI-1640 supplémenté de 10 % de sérum de veau, maintenues à 37 °C et 5 % CO₂.

Préparation de la solution cellulaire et mesure électrique

Les suspensions cellulaires ont été diluées aux concentrations souhaitées dans le milieu de culture. Un aliquot de 50 µL a été placé dans le puits de silicone, et le changement de courant résultant a été enregistré avec l'analyseur Agilent 4155B.

Résultats et Discussion

Le film de graphène 10 × 10 cm (Figure 1a) a affiché un assombrissement subtil par rapport au Cu nu, confirmant la couverture de graphène. L'analyse Raman (Figure 1b) a révélé des pics G et 2D à 1580 cm⁻¹ et 2680 cm⁻¹, tandis que le rapport I_G/I_2D (<0,5) et le pic D négligeable (Figure 1c) confirment la qualité monocouche et la faible densité de défauts.

a Photographie de feuille Cu nue (gauche) et feuille Cu recouverte de graphène (droite). b Spectre Raman de graphène/Cu. c Spectre Raman de graphène/SiO₂/Si.

Les capteurs flexibles sur PET (Figure 2) ont produit des signaux électriques clairs quand un échantillon de 50 µL a été ajouté au puits cellulaire. Le courant de base est resté stable avant l'ajout de l'échantillon ; au contact, le courant a chuté et s'est stabilisé à une nouvelle valeur. La réponse relative, définie comme η = (I₀ – I)/I₀ × 100 %, était de 2,96 % pour le milieu sans cellules et 37,04 % pour une solution CTC contenant 30 cellules/mL, indiquant une sensibilité prononcée aux cellules cancéreuses.

Photographie du biosenseur graphène/PET.

Les mesures temporelles (Figure 3) ont montré qu'une solution CTC à 30 cellules/mL atteignait une réponse de 5 % en seulement 2,1 s, tandis que la même concentration de milieu ne produisait qu'un changement de 0,15 %. La réponse rapide, sous 10 secondes, confirme l'adéquation du capteur pour l'utilisation au point de soin.

a Réponse électrique pour milieu sans cellules. b Réponse pour une solution cancéreuse à 30 cellules/mL.

Nous avons testé davantage deux lignées CTC distinctes (SUDHL8 et OCILYS) à 10 000 cellules/mL. Bien que les deux aient montré des réponses mesurables, leurs profils courant-temps différaient significativement, suggérant que le capteur peut discriminer entre types cellulaires (Figure 5).

Réponse temps-dépendante pour (a) SUDHL8 et (b) OCILYS cellules.

Enfin, nous avons évalué le comportement concentration-dépendant du capteur en utilisant des cellules SUDHL8 à 10 K et 100 K cellules/mL. Des concentrations plus élevées ont produit un changement de courant légèrement plus petit, reflétant la nature isolante de cellules densément empilées (Figure 6). Néanmoins, le capteur a maintenu une réponse distincte, soulignant son potentiel quantitatif.

a Courant vs temps pour 10 K vs 100 K cellules/mL. b Courbes de réponse correspondantes.

Collectivement, les données démontrent qu'un biosenseur graphène flexible, fabriqué à la main, peut détecter les CTC du cancer de l'ovaire avec une sensibilité et une rapidité remarquables, discriminer entre types cellulaires, et quantifier la concentration cellulaire — le tout en quelques secondes.

Conclusion

Nous avons fabriqué un biosenseur graphène simple, flexible, sur PET qui détecte les CTC du cancer de l'ovaire avec une vitesse et une sensibilité remarquables. En comparant les signaux électriques pré- et post-échantillon, le dispositif distingue les milieux cancéreux des non-cancéreux, identifie différentes lignées cellulaires, et quantifie la concentration cellulaire. Cette plateforme peu coûteuse promet un diagnostic rapide au point de soin qui pourrait améliorer la détection précoce et le suivi du cancer de l'ovaire.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données pertinentes sont incluses dans l'article et ses fichiers supplémentaires.

Abréviations

CA :

Antigène glucidique

CTC :

Cellule tumorale circulante

PET :

Téréphtalate de polyéthylène

FDA :

Food and Drug Administration

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur