Des chercheurs ont mis au point de nouvelles techniques de traitement du signal qui ont été utilisées avec une puce de biocapteur optofluidique pour détecter un mélange de nanobilles à des concentrations variant de huit ordres de grandeur. Crédit : Holger Schmidt, Département ECE, Université de Californie, Santa Cruz
La détection de concentrations très variables, jusqu’à la molécule unique, pourrait permettre d’effectuer de multiples tests médicaux sur un seul appareil portable.
Les scientifiques de l’UC Santa Cruz ont considérablement amélioré les biocapteurs à base de puce, en multipliant par plus de 10 000 la plage de détection des concentrations. Ces avancées permettent à un seul appareil d’effectuer simultanément plusieurs tests médicaux sur différentes biomolécules, même à des concentrations très différentes. L’équipe s’est appuyée sur l’apprentissage automatique pour reconnaître les particules avec une grande précision, ce qui rend ces dispositifs adaptés à l’analyse des données en temps réel dans les scénarios de soins sur le lieu de travail.
Les chercheurs ont apporté des améliorations significatives aux dispositifs de détection à base de puce utilisés pour détecter ou analyser des substances. Ces réalisations jettent les bases de dispositifs de détection optofluidiques intégrés portables très sensibles qui pourraient être utilisés pour effectuer simultanément divers types de tests médicaux, même s’ils impliquent des types de bioparticules complètement différents – tels que des particules virales et de l’ADN – à des concentrations très variables.
Comme le rapporte Optica, le journal du Optica Publishing Group pour la recherche à fort impact, des chercheurs dirigés par Holger Schmidt du W.M. Keck Center for Nanoscale Optofluidics à l’Université de Californie, Santa Cruz (UCSC), ont appliqué de nouvelles techniques de traitement du signal à un biocapteur basé sur une puce opto-fluidique. Ces progrès ont permis de détecter par fluorescence un mélange de nanobilles à des concentrations de huit ordres de grandeur, allant de l’attomolaire au nanomolaire. La gamme de concentrations dans laquelle ces capteurs peuvent fonctionner est ainsi multipliée par un facteur de plus de 10 000.
« Ce travail est notre dernière étape dans le développement de dispositifs de détection optofluidiques intégrés qui sont suffisamment sensibles pour détecter des biomolécules uniques et fonctionner dans une très large gamme de concentrations », a déclaré M. Schmidt. « Nous avons montré qu’il est possible de le faire avec une seule méthode, ce qui nous permet de mesurer et de distinguer simultanément plusieurs types de particules, même si elles ont des concentrations très différentes.
Pour détecter simultanément les molécules présentes à des concentrations élevées et faibles, les chercheurs ont créé différentes fréquences de modulation du signal. Ils ont utilisé la modulation laser à haute fréquence pour distinguer les particules individuelles à faible concentration et la modulation laser à basse fréquence pour détecter les signaux importants provenant de nombreuses particules simultanément à forte concentration. L’image montre l’installation optique et le logiciel de contrôle développé sur mesure en fonctionnement. Crédit : Holger Schmidt, Département ECE, Université de Californie, Santa Cruz
Sommaire
Création d’un dispositif d’essai polyvalent
Bien que de nombreux types de dispositifs d’analyse basés sur des puces aient été développés, la plupart d’entre eux se concentrent sur une cible ou un type d’analyse, car les biomolécules se présentent sous de nombreuses formes et en quantités très différentes. Par exemple, les concentrations de diverses protéines utilisées comme biomarqueurs de maladies peuvent varier de plus de dix ordres de grandeur.
Le groupe de Schmidt, en collaboration avec Aaron Hawkins de la Brigham Young University, travaille à la mise au point d’une plate-forme d’essai qui pourrait être utilisée pour plusieurs types d’analyses. Elle est basée sur des puces optofluidiques, qui combinent l’optique et les canaux microfluidiques sur une puce en silicium ou en plastique. Les particules sont détectées en les éclairant avec un faisceau laser, puis en mesurant la réponse des particules avec un détecteur sensible à la lumière.
Les chercheurs ont mis en place une boucle de rétroaction qui détecte les signaux très importants et ajuste la puissance d’entrée du laser en conséquence. Cela leur a permis de détecter des signaux importants provenant de concentrations élevées sans écraser les signaux faibles pouvant provenir d’une autre espèce à faible concentration. Crédit : Holger Schmidt, Département ECE, Université de Californie, Santa Cruz
Les chercheurs ont déjà démontré que leur plateforme possède la sensibilité nécessaire pour effectuer différents types d’analyses et qu’elle peut détecter de nombreux types de particules, notamment des acides nucléiques, des protéines, des virus, des bactéries et des biomarqueurs du cancer. Cependant, jusqu’à présent, ils ont utilisé des détecteurs et des techniques d’analyse du signal distincts pour mesurer les particules à forte et à faible concentration. Cela était nécessaire car si un type de particule est présent à une concentration très élevée, il crée une réponse très importante qui écrase les signaux beaucoup plus faibles d’un autre type de particule présent à de faibles concentrations.
Meilleur traitement des signaux
Dans leurs nouveaux travaux, M. Schmidt et Vahid Ganjalizadeh, étudiant diplômé, ont mis au point des méthodes de traitement des signaux qui peuvent être utilisées pour détecter simultanément des particules en concentrations élevées et faibles, même si les concentrations ne sont pas connues à l’avance. Pour ce faire, ils ont combiné différentes fréquences de modulation du signal : Modulation laser à haute fréquence pour distinguer les particules individuelles à faible concentration et modulation laser à basse fréquence pour détecter les signaux importants provenant de nombreuses particules simultanément à forte concentration.
« Deuxièmement, nous avons mis en place une boucle de rétroaction qui détecte les signaux vraiment importants et ajuste la puissance d’entrée du laser en conséquence », a déclaré M. Schmidt. « De cette manière, nous pouvons détecter des signaux importants provenant de concentrations élevées sans écraser les signaux faibles pouvant provenir d’une autre espèce à des concentrations faibles. Cela nous a permis de détecter simultanément des particules présentes à des concentrations très différentes ».
Les chercheurs ont également appliqué un algorithme extrêmement rapide qu’ils ont récemment mis au point pour identifier en temps réel les signaux de particules uniques à de faibles concentrations. L’apprentissage automatique a également contribué à la reconnaissance des modèles de signaux afin de pouvoir distinguer les différents types de particules avec une grande précision. « Ces avancées en matière d’analyse des signaux sont idéales pour permettre le fonctionnement des appareils au point de soins, où la qualité des signaux peut être médiocre et où l’analyse des données est nécessaire en temps réel », a déclaré M. Schmidt.
Distinguer les faibles et les fortes concentrations
Les chercheurs ont démontré leur nouvelle approche d’analyse du signal en pompant des puces biocapteurs optofluidiques avec une solution de nanobilles à différentes concentrations et avec différentes couleurs de fluorescence. Ils ont été en mesure d’identifier correctement la concentration des billes jaune-vert et cramoisies, même si leurs concentrations différaient d’un facteur de plus de 10 000 dans le mélange.
« Bien que ces travaux fassent progresser un capteur intégré spécifique basé sur des signaux optiques de fluorescence, la technique d’analyse des signaux peut être utilisée avec n’importe quel type de signal dépendant du temps et couvrant une large gamme de concentrations », a déclaré M. Schmidt. « Il peut s’agir de différents signaux optiques, mais aussi de capteurs électriques.
La technologie de biodétection optofluidique de l’équipe est actuellement commercialisée par la société d’appareils médicaux Fluxus Inc. Les chercheurs travaillent également à l’adaptation de leurs méthodes pour étudier les produits moléculaires issus d’organoïdes artificiels de tissus cellulaires neuronaux. Ce projet, qui fait partie du UCSC Center for Live Cell Genomics, un centre d’excellence des NIH en science génomique, pourrait permettre de mieux comprendre des domaines tels que les maladies neurogénératives et le cancer pédiatrique.
Référence : « Adaptive time modulation technique for multiplexed on-chip particle detection across scales » par V. Ganjalizadeh, A. R. Hawkins, H. Schmidt, 22 juin 2023, Optica.
DOI : 10.1364/OPTICA.489068