Des chercheurs améliorent la précision de la surveillance continue de la glycémie à domicile

Jusqu’à présent, la surveillance continue de la glycémie à domicile pour les diabétiques a dû troquer la facilité d’utilisation, le faible coût et la portabilité pour une sensibilité (et donc une précision) quelque peu inférieure à celle des systèmes similaires dans les cliniques ou les hôpitaux. Une équipe de chercheurs a maintenant développé un biocapteur pour de tels moniteurs qui implique des points quantiques « zérodimensionnels » (QD) et des nanosphères d’or (AuNS), et n’a plus à faire de compromis sur la précision.

Un article décrivant la conception du biocapteur et ses performances améliorées est paru dans la revue Nano-recherche le 9 novembre 2022.

Ces dernières années, le développement de la technologie de surveillance continue du glucose (CGM) a été une aubaine pour les personnes atteintes de diabète. Contrairement aux tests de glycémie avant les repas et avant le coucher, la détection en temps réel, rapide et précise des niveaux de glucose des appareils CGM toujours allumés a considérablement amélioré la gestion du diabète.

Les tendances de la glycémie sont plus facilement suivies, ce qui facilite la mise en œuvre des changements de régime, d’exercice et de médicaments dans un plan de soins du diabète tout au long de la journée, et les alarmes se déclenchent lorsque les niveaux de glucose montent trop haut ou tombent trop bas, envoyant des informations à l’individu ou aux parents , partenaires ou soignants.

Les CGM fonctionnent généralement via un minuscule biocapteur intégré sous la peau qui mesure les niveaux de glucose dans le liquide entre les cellules. Ce capteur vérifie ces niveaux toutes les quelques minutes et envoie ces informations à un moniteur. Le moniteur peut également être connecté à une pompe à insuline.

Diverses techniques de détection du glucose ont été développées, notamment la colorimétrie, la spectroscopie infrarouge, la spectroscopie de fluorescence et la spectrométrie de masse. Mais pour une opération à domicile plutôt que dans une clinique ou un hôpital, la détection électrochimique du glucose est la technique la plus largement acceptée en raison de sa réponse rapide, de sa facilité d’utilisation, de son faible coût et de sa portabilité.

« Il a également une sensibilité décente, mais pas une sensibilité excellente », a déclaré Huan Liu, spécialiste de la microélectronique à l’École d’information optique et électronique de l’Université des sciences et technologies de Huazhong. « Pas comparé à d’autres techniques utilisées dans un établissement de soins de santé. Nous voulions donc voir si nous pouvions augmenter un peu cette sensibilité et ainsi améliorer sa précision. »

Les capteurs de glucose électrochimiques peuvent être classés en capteurs enzymatiques et en capteurs non enzymatiques. Pour les capteurs électrochimiques de glucose à base d’enzymes, la glucose oxydase (GOx) – une enzyme qui accélère (catalyse) les réactions chimiques d’oxydoréduction – est largement utilisée pour oxyder le glucose à la surface de l’électrode du capteur CGM.

L’électrode attire les électrons du glucose (les oxydant) et, ce faisant, génère un courant électrique qui varie en fonction des niveaux de glucose. GOx est largement utilisé à cette fin en raison de sa grande sélectivité pour le glucose (capacité à sélectionner le glucose et non d’autres substances), sa grande stabilité et sa grande activité sur une large gamme de niveaux de pH.

Cependant, lorsque la GOx est directement combinée à la surface nue de l’électrode, non seulement la GOx elle-même est facilement exfoliée (dépouillée de certaines de ses couches), mais son activité biologique et sa stabilité peuvent également être affectées. De plus, l’efficacité du transfert d’électrons entre le GOx et la surface de l’électrode est un facteur clé déterminant la sensibilité du capteur.

Jusqu’à présent, de nombreuses tentatives ont été faites pour rendre l’enzyme GOx plus fermement attachée à l’électrode, améliorant ainsi le transfert direct d’électrons entre les centres électroactifs (sites d’activité électronique) et la surface de l’électrode. Une tentative notable implique l’utilisation d’électrodes conçues à l’échelle nanométrique pour avoir des structures sur l’électrode qui fournissent des surfaces plus grandes et une activité électrocatalytique élevée.

Malheureusement, ces nanostructures augmentent la complexité de fabrication de tels biocapteurs électrochimiques. Leur construction repose également sur le polymère synthétique Nafion comme échafaudage, qui crée une barrière pour le transfert de charge à travers l’interface entre le capteur et le fluide testé.

Les chercheurs sont donc allés dans une tout autre direction. L’équipe visait à améliorer les performances de détection du glucose en utilisant des points quantiques colloïdaux (CQD) comme matériau de modification de l’électrode. Les CQD sont des nanoparticules semi-conductrices de dimension « zéro ». (Ce ne sont pas réellement des dimensions nulles, mais plutôt des diamètres extrêmement petits allant généralement de 2 à 20 nm). Ceux-ci possèdent une abondance de sites actifs – des emplacements où des réactions chimiques peuvent se produire – et se lient de manière très stable aux molécules de protéines biologiques.

Mieux encore, en raison de leur très petite taille, les CQD subissent des effets quantiques tels que l’effet tunnel quantique, et le transfert de charge à l’interface CQD-protéine peut être régulé par l’application d’un champ électrique externe. Les CQD sont également compatibles avec une gamme de différents matériaux de substrat rigides et flexibles, ce qui les rend plus faciles à fabriquer.

Améliorant cet effet, les chercheurs ont intégré des nanosphères d’or (AuNS) dans la structure de l’électrode du capteur. Ce sont des nanoparticules sphériques ultra-minuscules avec des diamètres allant de 10 à 200 nm. Ils sont de plus en plus utilisés dans les applications de biodétection en raison de leurs propriétés physiques et chimiques uniques.

En particulier, lorsqu’ils sont utilisés comme composant dans des biocapteurs électrochimiques enzymatiques, les AuNS permettent aux enzymes protéiques de conserver leur activité biologique lors de l’adhésion aux surfaces et de réduire l’effet isolant de l’enveloppe de la protéine pour le transfert direct d’électrons. Dans un CGM, cela améliore considérablement l’amplitude du signal des biocapteurs électrochimiques.

Les chercheurs ont construit un CGM de preuve de concept utilisant des CQD – dans ce cas en sulfure de plomb – et l’électrode modifiée par AuNSs. Ils ont constaté que l’ajout des AuNS en particulier améliorait significativement le signal de courant détecté par le capteur électrochimique, comme cela avait été espéré.

Combinées, ces altérations ont montré un grand potentiel dans la détection du glucose dans différents échantillons tels que le sang, la sueur et d’autres fluides corporels, et ont fourni un biocapteur électrochimique rapide (en moins de 30 secondes), avec une large plage de détection et une sensibilité ultra-élevée. l’équipe cherchait.

Les chercheurs visent maintenant à prendre leur CGM de preuve de concept et à le rendre manufacturable à l’échelle commerciale.