Les maladies infectieuses telles que le paludisme restent une des principales causes de décès dans de nombreuses régions. Cela s’explique en partie par le fait que les habitants n’ont pas accès à des outils de diagnostic médical capables de détecter ces maladies (ainsi qu’une gamme de maladies non infectieuses) à un stade précoce, lorsqu’il y a plus de possibilités de traitement.
C’est un défi que les scientifiques ont relevé, dans le but de démocratiser les soins de santé pour les personnes économiquement défavorisées du monde entier.
Mes collègues et moi avons développé une nouvelle méthode pour l’étude des cellules biologiques suffisamment petites pour tenir dans la lentille d’un smartphone.
Bien que nous ne l’ayons testé jusqu’à présent qu’en laboratoire, nous espérons qu’à l’avenir cette nanotechnologie pourra permettre la détection de maladies dans des contextes médicaux réels à l’aide d’un simple appareil mobile. Nous espérons que notre travail pourra éventuellement contribuer à sauver des millions de vies.
Comment étudier une cellule biologique
Être capable d’étudier les cellules biologiques à l’aide de microscopes optiques est un élément fondamental du diagnostic médical.
En effet, des changements spécifiques dans les cellules qui peuvent être observés au microscope sont souvent révélateurs de maladies. Dans le cas du paludisme, par exemple, la méthode de détection de référence consiste à utiliser des images au microscope pour identifier des changements spécifiques dans les globules rouges d’un patient.
Mais les cellules biologiques sont douées pour se cacher. Beaucoup de leurs caractéristiques internes sont pratiquement transparentes et presque invisibles pour les microscopes conventionnels. Pour rendre ces fonctionnalités visibles, nous devons appliquer des astuces.
Une façon consiste à introduire une sorte de coloration chimique, qui ajoute un contraste aux caractéristiques transparentes des cellules.
D’autres approches utilisent un processus appelé « imagerie de phase ». L’imagerie de phase exploite le fait que la lumière, qui a traversé la cellule, contient des informations sur les parties transparentes de la cellule et rend ces informations visibles à l’œil humain.
Les méthodes d’imagerie de phase conventionnelles reposent sur une gamme de composants volumineux tels que prismes et les configurations d’interférence, qui coûtent des milliers de dollars. De plus, les équipements coûteux et encombrants ne peuvent pas être facilement mis à disposition dans les régions éloignées et les pays économiquement défavorisés.
Entrez dans la nanotechnologie
Un effort scientifique majeur est actuellement dirigé vers l’utilisation des nanotechnologies pour remplacer les grands composants optiques traditionnels.
Cela se fait en créant des dispositifs d’une épaisseur nanométrique avec le potentiel d’une production de masse à faible coût. Ces appareils pourraient être intégrés dans des appareils mobiles, tels que des caméras de smartphone, à l’avenir.
Dans le cas particulier de l’imagerie de phase, les scientifiques n’ont jusqu’à présent pu développer que des systèmes qui :
Nous avons développé un appareil qui peut effectuer une imagerie de phase instantanée sans ces limitations. Notre solution n’a que quelques centaines de nanomètres d’épaisseur et pourrait être intégrée dans des objectifs d’appareil photo, sous la forme d’un film plat au-dessus de l’objectif.
Comment nous l’avons fait
Nous avons inscrit une nanostructure dans un film très mince (moins de 200 nanomètres d’épaisseur) qui permet l’imagerie de phase en utilisant un effet parfois appelé « couplage spin-orbite optique ».
Le principe de fonctionnement est simple. Un objet transparent, tel qu’une cellule biologique, est placé au-dessus du dispositif. La lumière brille à travers la cellule et la structure auparavant invisible de la cellule devient visible de l’autre côté.
Dans notre publication récente dans ACS Photonique, nous détaillons comment nous avons démontré avec succès l’utilisation de cette méthode dans un environnement de laboratoire, avec des objets transparents générés artificiellement. Les objets ne mesuraient que quelques micromètres et étaient donc comparables à des cellules biologiques.
Étant donné que cette méthode permet l’imagerie de phase, mais ne traite pas du grossissement de petits objets tels que des cellules, elle nécessite encore actuellement des lentilles volumineuses pour fournir un grossissement. Cependant, nous sommes convaincus qu’à l’avenir, notre appareil pourrait être intégré à des lentilles plates, issues d’autres avancées de la nanotechnologie.
Où pourrait-il nous mener ?
Un défi avec le prototype de dispositif actuel est le coût de fabrication d’environ 1 000 dollars australiens. Nous avons utilisé plusieurs méthodes de nanofabrication coûteuses qui sont également utilisées pour la fabrication de puces informatiques.
Cela dit, en tirant parti des économies d’échelle associées à la production de puces, nous pensons pouvoir réaliser la production rapide et à faible coût de cet appareil dans les prochaines années.
Jusqu’à présent, nous n’avons fait ce travail qu’en laboratoire. Voir la technologie devenir disponible dans les appareils mobiles médicaux nécessitera une collaboration avec des ingénieurs et des scientifiques médicaux spécialisés dans le développement de tels outils.
Notre vision à long terme de la technologie est de permettre aux appareils mobiles d’étudier des spécimens biologiques d’une manière qui n’a pas encore été possible.
En plus de permettre des diagnostics médicaux à distance, il pourrait également fournir une détection de maladie à domicile, dans laquelle un patient pourrait obtenir son propre échantillon par la salive ou une piqûre de sang et envoyer l’image à un laboratoire n’importe où dans le monde.
Lukas Wesemann et al, Imagerie de phase en temps réel avec une métasurface à fonction de transfert asymétrique, ACS Photonique (2022). DOI : 10.1021/acsphotonics.2c00346
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