Des épidémies majeures, notamment le SRAS, Zika et Ebola, et des pandémies telles que le H1N1 et le COVID-19 ont frappé le monde au cours des deux dernières décennies. À mesure que des épidémies de maladies infectieuses apparaissent de plus en plus régulièrement, la nécessité d’étendre les capacités de tests de diagnostic et de surveillance des virus pour contenir les épidémies et prévenir les pandémies devient progressivement évidente. Des chercheurs dirigés par Dino Di Carlo ainsi que Sam Emaminejad de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA) ont développé un test de diagnostic viral portable basé sur un essaim d’aimants de taille millimétrique (appelés « ferrobots »). Cette technologie pourrait augmenter considérablement le débit des tests de dépistage des maladies, tout en minimisant les coûts et l’utilisation de fournitures rares.
Décrire le kit de laboratoire de diagnostic dans Nature, les chercheurs décrivent le principe de fonctionnement et l'adaptabilité de la plateforme pour les tests viraux multiplexés et groupés. Ils rapportent également les résultats d’une étude clinique utilisant des échantillons provenant d’individus présentant des symptômes du COVID-19. La comparaison des résultats des tests utilisant le kit de laboratoire avec les mêmes échantillons testés pour le COVID-19 à l’aide du test de référence par transcription inverse-réaction en chaîne par polymérase (RT-PCR) a révélé une sensibilité du test de 98 % et une spécificité de 100 %.
Surmonter les pénuries d’approvisionnement et réduire les coûts
Parmi les options de tests de diagnostic et de surveillance viraux, les tests d’amplification des acides nucléiques (TAAN) présentent des avantages évidents par rapport aux tests basés sur les antigènes et les anticorps, en termes de sensibilité, de spécificité et de capacité de fourniture rapide sans génération préalable d’anticorps diagnostiques spécifiques. Cependant, les précédentes plates-formes de test basées sur le TAAN n'étaient pas en mesure d'effectuer les processus intégrés de manipulation des liquides, d'analyse et de retour automatique nécessaires pour obtenir des flux de travail flexibles et maximiser l'efficacité du dépistage des maladies.
Pour combler cette lacune, les chercheurs de l'UCLA ont créé une plate-forme programmable basée sur un circuit imprimé de la taille d'une paume qui effectue la manipulation des liquides et les opérations bioanalytiques de manière parallèle. Contrairement aux méthodes précédentes, qui nécessitaient des instruments volumineux et gourmands en ressources, la plate-forme miniaturisée permet de réaliser des économies substantielles sur une large gamme de prévalence virale, tout en offrant simultanément une précision, une robustesse, une adaptabilité et une évolutivité élevées.
« Notre technologie de laboratoire portable pourrait aider à surmonter certains obstacles liés à la rareté et à l’accès aux tests, en particulier au début d’une pandémie, lorsqu’il est crucial de contrôler la propagation de la maladie », explique Emaminejad. « Et au-delà de son potentiel à résoudre les problèmes de pénurie d’approvisionnement et de forte demande, il pourrait être largement adapté pour tester de nombreux types de maladies sur le terrain et avec une qualité de qualité laboratoire. »
Passer aux tests multiplexés et groupés
Les chercheurs ont développé une suite d’opérations pour détecter la présence de matériel génétique provenant d’un virus – dans ce cas, le SRAS-CoV-2 qui cause le COVID-19. Le circuit imprimé contrôle un essaim de ferrobots pour transporter des échantillons magnétisés via le flux de travail de diagnostic NAAT, y compris le transport automatisé, l'aliquotage, la fusion, le mélange et le chauffage des gouttelettes d'échantillon pour amplifier le produit de réaction (ADN). Enfin, les résultats sont déterminés sur la base d'un changement de couleur d'un indicateur de pH, qui permet une interprétation binaire du test, au-dessus ou en dessous d'un seuil, respectivement comme positif ou négatif.
Les chercheurs de l'UCLA ont également démontré la parallélisation – déplacer plusieurs ferrobots en même temps à l'aide de tuiles électromagnétiques dans le circuit – ainsi que des opérations de tâches séquentielles de manière collaborative par chaque ferrobot (en coordination avec les autres ferrobots).
« La conception compacte de cette plate-forme et la manipulation automatisée des échantillons permettent une mise en œuvre facile de tests groupés où vous pouvez tester des dizaines d'échantillons de patients en même temps, et le tout avec les mêmes matériaux qu'il faut actuellement pour tester un seul patient », explique Di Carlo. « Par exemple, vous pourriez tester des étudiants dans une résidence universitaire entière avec seulement quelques dizaines de kits de test. »
Un biocapteur adaptable détecte rapidement le virus et les anticorps du COVID-19
En mettant en œuvre un algorithme de test groupé, capable de tester jusqu'à 16 échantillons en un seul test, le système nécessite des coûts de réactifs bien inférieurs à ceux nécessaires pour tester les échantillons individuellement. Si le test groupé a donné un résultat positif, une série d’opérations rationalisées ultérieures a lieu au sein de la plateforme jusqu’à ce que les échantillons réellement positifs soient identifiés. En fin de compte, notent les chercheurs, les coûts des réactifs chimiques pourraient être réduits de 10 à 300 fois en fonction de la prévalence virale.
En plus de tester plusieurs maladies simultanément, la plateforme peut analyser un grand nombre d’échantillons d’entrée en parallèle et de manière asynchrone au fur et à mesure de leur arrivée, évitant ainsi les temps d’attente associés au traitement par lots. En tant que tel, l’équipe conclut que cette technologie constitue une solution prometteuse pour augmenter la capacité de test à l’échelle mondiale pour la préparation aux épidémies et aux pandémies.
