Des chercheurs de l’Université Duke ont mis au point un type unique de nanoparticule appelée « nanorattle » qui améliore considérablement la lumière émise depuis l’intérieur de sa coque externe.
Chargée de colorants diffusant la lumière appelés rapporteurs Raman couramment utilisés pour détecter les biomarqueurs de la maladie dans les échantillons organiques, l’approche peut amplifier et détecter les signaux de types distincts de nanosondes sans avoir besoin d’une machine coûteuse ou d’un professionnel de la santé pour lire les résultats.
Dans une petite étude de preuve de concept, les nanorattles ont identifié avec précision les cancers de la tête et du cou grâce à un dispositif de point de service activé par l’IA qui pourrait révolutionner la façon dont ces cancers et d’autres maladies sont détectés dans les zones à faibles ressources pour améliorer la santé mondiale.
Les résultats sont parus en ligne le 2 septembre dans le Journal de spectroscopie Raman.
« Le concept de piégeage des journalistes Raman dans ces soi-disant nanohochets a déjà été fait, mais la plupart des plates-formes avaient du mal à contrôler les dimensions intérieures », a déclaré Tuan Vo-Dinh, professeur émérite R. Eugene et Susie E. Goodson de génie biomédical à Duc.
« Notre groupe a développé un nouveau type de sonde avec un écart réglable avec précision entre le noyau intérieur et la coque extérieure, ce qui nous permet de charger plusieurs types de reporters Raman et d’amplifier leur émission de lumière appelée diffusion Raman améliorée en surface », a déclaré Vo-Dinh. a dit.
Pour fabriquer des nanohochets, les chercheurs partent d’une sphère en or massif d’environ 20 nanomètres de large. Après avoir fait pousser une couche d’argent autour du noyau d’or pour créer une sphère (ou un cube) plus grande, ils utilisent un processus de corrosion appelé remplacement galvanique qui creuse l’argent, créant une coque en forme de cage autour du noyau. La structure est ensuite trempée dans une solution contenant des rapporteurs Raman chargés positivement, qui sont attirés dans la cage extérieure par le noyau en or chargé négativement. Les coques extérieures sont ensuite recouvertes d’une couche d’or extrêmement fine pour enfermer les reporters Raman à l’intérieur.
Le résultat est une nanosphère (ou nanocube) d’environ 60 nanomètres de large avec une architecture qui ressemble à un hochet – un noyau d’or emprisonné dans une plus grande coque extérieure en argent-or. L’écart entre les deux n’est que d’environ quelques nanomètres, ce qui est juste assez grand pour s’adapter aux reporters Raman.
Ces tolérances serrées sont essentielles pour contrôler l’amélioration du signal Raman produite par les nanohochets.
Lorsqu’un laser brille sur les nanohochets, il traverse la coque extérieure extrêmement fine et frappe les reporters Raman à l’intérieur, les faisant émettre leur propre lumière. En raison de la proximité des surfaces du noyau en or et de la coque externe en or/argent, le laser excite également des groupes d’électrons sur les structures métalliques, appelés plasmons. Ces groupes d’électrons créent un champ électromagnétique extrêmement puissant en raison de l’interaction des plasmons de l’architecture noyau-enveloppe métallique, un processus appelé couplage plasmonique, qui amplifie la lumière émise par les reporters Raman des millions de fois.
« Une fois que nous avons fait fonctionner les nanohochets, nous avons voulu fabriquer des dispositifs de biodétection pour détecter les maladies infectieuses ou les cancers avant même que les gens ne sachent qu’ils sont malades », a déclaré Vo-Dinh. « Avec la puissance de l’amélioration du signal des nanorattles, nous avons pensé que nous pourrions faire un test simple qui pourrait être facilement lu par n’importe qui au point de service. »
Dans le nouvel article, Vo-Dinh et ses collaborateurs appliquent la technologie nanorattle à un dispositif de laboratoire sur bâton capable de détecter les cancers de la tête et du cou, qui apparaissent n’importe où entre les épaules et le cerveau, généralement dans la bouche, le nez et gorge. Le taux de survie pour ces cancers oscille entre 40 et 60 % depuis des décennies. Alors que ces statistiques se sont améliorées ces dernières années aux États-Unis, elles se sont aggravées dans les milieux à faibles ressources, où les facteurs de risque tels que le tabagisme, l’alcool et la mastication de noix de bétel sont beaucoup plus répandus.
« Dans les milieux à faibles ressources, ces cancers se présentent souvent à des stades avancés et entraînent de mauvais résultats en partie en raison d’un équipement d’examen limité, du manque de personnel de santé formé et de programmes de dépistage essentiellement inexistants », a déclaré Walter Lee, professeur de recherche sur la tête et le cou. chirurgie et sciences de la communication et radio-oncologie à Duke, et collaborateur à la recherche.
« Avoir la capacité de détecter ces cancers tôt devrait conduire à un traitement plus précoce et à une amélioration des résultats, à la fois en termes de survie et de qualité de vie », a déclaré Lee. « Cette approche est passionnante car elle ne dépend pas d’un examen par un pathologiste et pourrait potentiellement être utilisée au point de service. »
Le dispositif prototype utilise des séquences génétiques spécifiques qui agissent comme du velcro pour les biomarqueurs recherchés par les chercheurs – dans ce cas, un ARNm spécifique qui est trop abondant chez les personnes atteintes de cancers de la tête et du cou. Lorsque l’ARNm en question est présent, il agit comme une attache qui lie les nanohochets aux billes magnétiques. Ces perles sont ensuite concentrées et maintenues en place par un autre aimant tandis que tout le reste est rincé. Les chercheurs peuvent ensuite utiliser un appareil portable simple et peu coûteux pour rechercher la lumière émise par les nanohochets afin de voir si des biomarqueurs ont été capturés.
Dans les expériences, le test a déterminé si oui ou non 20 échantillons provenaient de patients atteints d’un cancer de la tête et du cou avec une précision de 100 %. Les expériences ont également montré que la plate-forme nanorattle est capable de gérer plusieurs types de nanosondes, grâce à un algorithme d’apprentissage automatique qui peut démêler les signaux séparés, ce qui signifie qu’ils peuvent cibler plusieurs biomarqueurs à la fois. C’est l’objectif du projet actuel du groupe financé par les National Institutes of Health.
« De nombreux biomarqueurs d’ARNm sont trop abondants dans plusieurs types de cancers, tandis que d’autres biomarqueurs peuvent être utilisés pour évaluer le risque du patient et les résultats futurs du traitement », a déclaré Vo-Dinh. « Détecter plusieurs biomarqueurs à la fois nous aiderait à différencier les cancers et à rechercher d’autres marqueurs pronostiques tels que le virus du papillome humain (VPH) et des contrôles positifs et négatifs. La combinaison de la détection d’ARNm avec une nouvelle biodétection nanorattle entraînera un changement de paradigme dans la réalisation un outil de diagnostic qui pourrait révolutionner la façon dont ces cancers et autres maladies sont détectés dans les zones à faibles ressources. »
Joy Qiaoyi Li et al, Apprentissage automatique à l’aide de réseaux de neurones convolutifs pour l’analyse SERS de biomarqueurs dans le diagnostic médical, Journal de spectroscopie Raman (2022). DOI : 10.1002/jrs.6447