Détecter les maladies depuis chez soi grâce à la photonique

Imaginez qu’il soit possible d’avoir chez soi ou dans son sac un outil qui vous donne chaque jour des indications sur votre état de santé, détectant de minuscules quantités de biomarqueurs indésirables dans le sang ou la salive, et repérant les maladies à un stade précoce. Tel est l’un des scénarios que nous promet la médecine personnalisée du futur.

A l’EPFL, les chercheurs du Laboratoire de systèmes bionanophotonique de la Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur, ont développé un outil puissant qui pourrait participer à cette révolution technologique. Il s’agit d’une puce optique ultra-fine et miniaturisée qui, couplée à un appareil photo CMOS et à de l’analyse d’image, permet de compter les biomolécules d’un échantillon une à une, mais aussi de déduire leur position précise. La recherche apparaît dans Nature Photonics.

Une détection très puissante

Au centre du système inédit des chercheurs se trouvent les métasurfaces, nouvelles stars de la photonique. Les métasurfaces sont des feuilles de matériaux sur lesquelles on place des millions d’îlots nanométriques, positionnés de façon spécifique. Ces îlots ont la capacité, à une fréquence donnée, de confiner intensément la lumière en certains points, créant ainsi des « hot spot » ultra-sensibles de détection.

Lorsque l’on applique une lumière sur ces surfaces, et qu’une molécule se trouve dans un « hot spot », elle est ainsi immédiatement détectée. La molécule trahit en effet sa présence, car elle modifie la longueur d’onde de la lumière en contact avec elle.

Scanner les molécules et les prendre en photo

Afin de pouvoir compter le nombre de molécules présentes dans un échantillon, et de connaître dans les détails ce qui se passe sur la puce entière, les chercheurs illuminent les surfaces avec différentes couleurs, en prenant à chaque fois une photo avec un appareil CMOS standard. «Les millions de pixels CMOS obtenus avec cette opération sont ensuite traités par un système de traitement des données intelligent, pour analyser tous les détails, et dégager des tendances», explique Filiz Yesilkoy, auteure de l’étude. «Nous avons montré que nous pouvions détecter et imager non seulement la présence de biomolécules individuelles dans les hotspots, mais aussi celle d’une simple feuille de graphène, épaisse d’un seul atome».

Pour aller plus loin, les chercheurs ont développé une deuxième version de leur système, où les métasurfaces sont programmées par région, pour résonner à des longueurs d’onde différentes. «La localisation des molécules est moins précise, mais le dispositif est plus simple », indique Eduardo R. Arvelo, co-auteur de l’étude.

La richesse de l’optique pour déceler nos maladies

Directrice du Laboratoire BIOS, Hatice Altug, qui dirige cette recherche, l’affirme : les dispositifs optiques ont un potentiel énorme. «La lumière donne des informations multidimensionnelles à travers son intensité, sa phase, sa polarisation, et elle peut traverser l’espace. Les capteurs optiques ont donc un immense potentiel pour aborder les défis de la prochaine génération, en particulier pour la médecine spécialisée.»