Lorsque Srikanth Singamaneni et Guy Genin, tous deux professeurs de génie mécanique et de science des matériaux à la McKelvey School of Engineering de l’Université de Washington à Saint-Louis, ont établi une nouvelle collaboration avec des chercheurs de l’École de médecine fin 2019, ils ne connaissaient pas le le paysage de la recherche sur les maladies infectieuses était sur le point de changer radicalement. Dans une salle de conférence surplombant Forest Park par une belle journée d’automne, l’équipe avait un objectif en tête : s’attaquer au plus gros problème de maladies infectieuses auquel le monde était confronté à l’époque.
«Srikanth et moi avions une vision d’un outil de diagnostic simple et quantitatif, nous avons donc contacté des médecins spécialistes des maladies infectieuses ici à WashU et leur avons demandé:« Quelles sont les questions les plus importantes auxquelles on pourrait répondre si vous pouviez obtenir des informations vraiment détaillées à moindre coût au point de service? », a déclaré Genin, professeur de génie mécanique Harold et Kathleen Faught.
« Greg Storch nous a dit que l’un des défis les plus importants auxquels est confronté le domaine des maladies infectieuses est de trouver un moyen de déterminer rapidement si un patient a une infection bactérienne et devrait recevoir des antibiotiques ou a une infection virale, pour laquelle les antibiotiques ne seront pas efficaces. . »
Storch, MD, professeur de pédiatrie Ruth L. Siteman à l’École de médecine, s’intéressait aux maladies qui affectent régulièrement la plupart des gens – rhume, angine streptococcique ou grippe – mais qui n’attiraient pas autant l’attention de la recherche que les maladies plus rares. « Même avec les grands progrès qui ont été réalisés dans le diagnostic des maladies infectieuses, il existe toujours un créneau pour les tests simples, rapides et sensibles », a déclaré Storch. « Ce serait particulièrement puissant s’ils pouvaient fournir des informations quantitatives. Des tests avec ces caractéristiques pourraient être utilisés dans des laboratoires sophistiqués ou sur le terrain. »
S’appuyant sur ses années d’expérience dans le développement de nanomatériaux pour des applications en biologie et en médecine, Singamaneni, professeur Lilyan & E. Lisle Hughes, a cherché à surmonter ces limites dans les tests de diagnostic au point de service. Singamaneni et son laboratoire ont développé des nanomarqueurs fluorescents ultra-brillants appelés fluors plasmoniques, qui pourraient être rapidement intégrés dans une plate-forme de test commune, le test à flux latéral (LFA).
Les LFA améliorés par plasmon (p-LFA) améliorent les tests rapides peu coûteux et facilement disponibles aux niveaux de sensibilité requis par les médecins pour la confiance dans les résultats des tests sans avoir besoin d’une confirmation en laboratoire.
Selon les résultats publiés le 2 février dans Nature Génie biomédical, les p-LFA de l’équipe sont 1 000 fois plus sensibles que les LFA conventionnels, qui affichent les résultats via un signal visuel de couleur et de fluorescence sur la bandelette. Lorsqu’ils sont analysés à l’aide d’un scanner à fluorescence, les p-LFA sont également nettement plus rapides que les tests de laboratoire de référence, renvoyant des résultats en seulement 20 minutes au lieu de plusieurs heures, avec une sensibilité comparable ou améliorée. Les p-LFA peuvent détecter et quantifier des concentrations de protéines, leur permettant de détecter des infections bactériennes et virales ainsi que des marqueurs d’inflammation qui pointent vers d’autres maladies.
« Les fluorures plasmoniques sont composés de nanoparticules métalliques qui servent d’antennes pour attirer la lumière et améliorer l’émission de fluorescence des fluorophores moléculaires, ce qui en fait une nanoparticule ultrabrillante », a expliqué Singamaneni.
« Nos p-LFA peuvent capter même de très petites concentrations d’anticorps et d’antigènes, marqueurs typiques d’infection, et donner aux cliniciens des résultats clairs et rapides sans avoir besoin d’équipement spécialisé. Pour les tests quantitatifs au-delà du dépistage initial, la même bandelette LFA peut être scanné avec un lecteur de fluorescence, permettant une détection colorimétrique et fluorométrique rapide et ultrasensible des marqueurs de la maladie avec un seul test. »
« C’est comme augmenter le volume sur des bandelettes de test standard à changement de couleur. Au lieu d’obtenir une ligne faible indiquant uniquement un résultat positif ou négatif, les nouveaux p-LFA donnent des résultats plus clairs avec moins de particules, ce qui permet de passer du simple « oui ou Non?’ à exactement ‘combien?’ à l’aide d’un scanner portable peu coûteux », a déclaré Jeremiah Morrissey, professeur-chercheur en anesthésiologie à la Division de la recherche clinique et translationnelle de l’École de médecine. Morrissey est co-auteur de la nouvelle étude et collaborateur de longue date du laboratoire Singamaneni.
Cette capacité de test améliorée présente des avantages évidents pour une population désormais trop familière avec la nécessité de résultats de test rapides et fiables et le risque de faux négatifs.
« Lorsque nous avons abordé ce problème en 2019, nous pensions que notre plus grand défi serait d’obtenir un nombre suffisant d’échantillons de personnes malades », a rappelé Genin. « Où sur Terre pourrions-nous trouver un ensemble massif d’échantillons de patients dont les symptômes ont été soigneusement documentés et dont le diagnostic a été vérifié par des tests PCR lents et coûteux ? » En quelques mois, le COVID-19 éliminerait cet obstacle tout en introduisant une multitude de nouveaux défis et opportunités.
« La pandémie a été un grand changement pour nous, comme pour tout le monde », a déclaré le premier auteur Rohit Gupta, qui a travaillé sur l’étude p-LFA en tant qu’étudiant diplômé dans le laboratoire de Singamaneni et est maintenant chercheur principal chez Pfizer. « Nous avons dû nous éloigner de notre objectif initial de distinguer les virus des bactéries, mais cela s’est avéré être une opportunité de faire de la science pratique avec de vrais enjeux. Nous travaillions avec des épidémiologistes pour obtenir des échantillons à tester, avec des diagnostiqueurs pour comparer notre test à ce qui était disponible, et avec les cliniciens pour mieux comprendre les besoins réels en matière de soins aux patients. »
La contribution de l’ensemble de la collaboration a aidé Gupta et Singamaneni à affiner la conception des p-LFA, qui ont finalement atteint une sensibilité clinique de 95 % et une spécificité de 100 % pour les anticorps et les antigènes du SRAS-CoV-2. Genin a qualifié les résultats de stupéfiants.
« Nous ne savions pas que cela fonctionnerait si bien », a-t-il déclaré. « Nous savions que ce serait bien, mais nous ne savions pas que ce test à 1 $ avec un appareil de lecture à 300 $ serait tellement meilleur – 10 fois meilleur – que l’état de l’art que nous avons tous utilisé pendant la pandémie de COVID. »
Maintenant qu’ils ont prouvé que les p-LFA peuvent surpasser les tests de laboratoire standard en termes de sensibilité, de vitesse, de commodité et de coût pour une maladie, l’équipe cherche à développer de nouvelles applications pour la technologie, notamment en revenant à leur objectif initial d’identifier les infections bactériennes par rapport aux infections virales et mettre leur outil de diagnostic entre les mains des médecins du monde entier.
La technologie p-LFA a été concédée sous licence à Auragent Bioscience LLC par l’Office of Technology Management de l’Université de Washington. Singamaneni et Morrissey font partie des co-fondateurs d’Auragent, une startup WashU.
« Nous nous attendons à ce que les p-LFA soient disponibles dans le commerce d’ici un à deux ans », a déclaré Singamaneni. « En ce moment, nous travaillons à l’amélioration de notre technologie de scanner portable, qui ajoute une capacité de lecture fluorescente plus sensible aux bandelettes de test en plus du changement de couleur visible à l’œil nu. Nous pensons que nous pouvons obtenir ce coût jusqu’à un point où il est accessible aux cliniques rurales aux États-Unis et à l’étranger, ce qui était l’un de nos objectifs initiaux. »
« Nous sommes également enthousiasmés par le potentiel de détection de beaucoup plus de maladies que le COVID, éventuellement en utilisant un patch cutané qui peut prélever un échantillon indolore », a ajouté Singamaneni. « Cette technologie a le potentiel de détecter un certain nombre de maladies, allant des IST aux infections respiratoires et plus encore, ainsi que des cytokines indiquant une inflammation observée dans des conditions telles que la polyarthrite rhumatoïde et la septicémie. »
Plus d’information:
Rohit Gupta et al, Essais à flux latéral ultrasensibles via des nanoparticules fluorescentes conjuguées à des anticorps plasmoniquement actifs, Nature Génie biomédical (2023). DOI : 10.1038/s41551-022-01001-1