Un appareil portable pour la détection rapide du sepsis

Surnommé « le tueur silencieux », le sepsis (anciennement septicémie) est la première cause de décès dans les hôpitaux. Il provoque la mort d’une personne toutes les quatre secondes dans le monde, ce qui en fait l’une des dix causes de décès les plus importantes.

Cette maladie inflammatoire se traduit par une réaction brutale de l’organisme face à une infection, et requiert une intervention médicale immédiate. Sa progression est si rapide que chaque heure supplémentaire pour la pose d’un diagnostic et l’initiation d’un traitement adéquat augmente les risques de mortalité de près de 8%.

Hatice Altug et Alexander Belushkin © Alain Herzog / EPFL 2020

Pourtant, les tests disponibles actuellement dans les hôpitaux peuvent prendre jusqu’à 72 heures pour fournir un résultat. A l’EPFL, plusieurs équipes travaillent sur cette problématique critique, dont la compagnie Abionic, spin-off de l’EPFL. A présent, les chercheurs du Laboratoire de systèmes bionanophotoniques (BIOS) présentent une nouvelle technologie.

Ils ont mis au point une puce optique qui permet d’accélérer le diagnostic de cette maladie infectieuse. Leur appareil portable, facile d’utilisation, s’appuie sur des avancées récentes dans le domaine des nanotechnologies et de la plasmonique. Il permet de détecter en quelques minutes – contre plusieurs jours avec les moyens traditionnels - les biomarqueurs typiques du sepsis dans le sang. Le tout en quelques minutes, à l'image d'un test de grossesse. Abordable et compact, l'appareil peut aussi en indiquer la concentration. Cette technologie permet d’obtenir le même niveau de précision que les meilleures techniques en laboratoire. Il est par ailleurs possible de scanner tout un panel de biomarqueurs, et donc effectuer un diagnostic rapide d’une multitude de maladies.

Le dispositif portable a été déployé à l’Hôpital universitaire du Vall d’Hebron en Espagne, où des tests ont été effectués à l’aveugle sur des échantillons sanguins de patients provenant de la Sepsis Bank. Un brevet est en cours et la technologie fait l’objet d’une publication dans le journal Small.

Le test est aussi rapide qu'un test de grossesse @ Alain Herzog / EPFL 2020

Des nano-cavités pour piéger les biomarqueurs

Le système repose principalement sur l’utilisation d’une métasurface optique -dans ce cas des feuilles d’or -, dans lesquelles on a percé des milliards de nano-trous en réseau. La métasurface concentre la lumière aux abords des nano-cavités, permettant une détection des biomarqueurs extraordinairement précise.

Grâce à ces métasurfaces, les chercheurs peuvent détecter les biomarqueurs de différentes maladies telles que le sepsis dans un échantillon, à l’aide d’une simple LED et d’une caméra CMOS standard.

La procédure est la suivante. L’échantillon sanguin du patient est mélangé avec une solution de nanoparticules, spécialement conçues pour capturer des biomarqueurs spécifiques. Lors du mélange, les nanoparticules capturent donc les biomarqueurs présents.

La mixture est ensuite versée sur la métasurface. «Chaque nanoparticule équipée d’un biomarqueur est à son tour capturée par des anticorps situés sur les nanocavités», explique Alexander Belushkin, co-premier auteur de l’étude.

La recherche apparaît en couverture de la revue Small

Le processus de détection est simple : Il s’agit d’envoyer une lumière LED sur la métasurface perforée. Dans les cavités «occupées», la lumière ne passera pas aussi bien que dans les cavités vides. «Ces interactions à l’échelle nanométrique génèrent des signaux sur la caméra CMOS, et permettent de détecter la présence de biomarqueur, et de les compter», ajoute Filiz Yesilkoy, co-première auteure de l’étude. Les scientifiques ont utilisé leur nouveau dispositif pour mesurer la présence et le taux de deux biomarqueurs importants su sepsis: la Procalcitonine et la protéine C réactive.

Les médecins peuvent utiliser ces informations pour accélérer le diagnostic du sepsis ou d’autres maladies, et potentiellement, sauver des vies. « Il y a un besoin urgent de biocapteurs prometteurs de ce type, pour pouvoir effectuer des diagnostics précis et rapide du sepsis», explique Anna Fàbrega, médecin responsable au Vall d’Hebron University Hospital en Espagne. «Ainsi, nous pourrions garder la mortalité des patients à un minimum».

Les scientifiques ont déjà en tête des scénarios possibles.

«Nous pensons que notre biocapteur accessible et compact pourrait équiper les ambulances, et certains services hospitaliers», commente Hatice Altug, directrice du BIOS à la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur à l’EPFL.

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Credit animation: Bionanophotonics Systems Laboratory, EPFL