Les ingénieurs du MIT et de l'Université Harvard ont conçu un nouveau masque facial qui peut diagnostiquer le porteur avec Covid-19 en 90 minutes environ. Les masques sont intégrés à de minuscules capteurs jetables qui peuvent être installés dans d'autres masques faciaux et pourraient également être adaptés pour détecter d'autres virus.
Les capteurs sont basés sur des machines cellulaires lyophilisées que l'équipe de recherche a précédemment développées pour une utilisation dans le diagnostic papier de virus tels que Ebola et Zika. Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont montré que les capteurs pouvaient être incorporés non seulement dans des masques faciaux, mais également dans des vêtements tels que des blouses de laboratoire, offrant potentiellement un nouveau moyen de surveiller l'exposition des travailleurs de la santé à une variété d'agents pathogènes ou à d'autres menaces.
« Nous avons démontré que nous pouvons lyophiliser une large gamme de capteurs biologiques synthétiques pour détecter les acides nucléiques viraux ou bactériens, ainsi que les produits chimiques toxiques, y compris les toxines nerveuses. Nous prévoyons que cette plate-forme pourrait permettre aux biocapteurs portables de nouvelle génération pour les premiers intervenants, le personnel de santé et le personnel militaire », a déclaré James Collins, professeur Termeer de génie médical et de sciences à l'Institute for Medical Engineering and Science (IMES) et au département du MIT. du génie biologique et l'auteur principal de l'étude.
Les capteurs du masque facial sont conçus de manière à pouvoir être activés par le porteur lorsqu'il est prêt à effectuer le test, et les résultats ne sont affichés qu'à l'intérieur du masque, pour la confidentialité de l'utilisateur.
Peter Nguyen, chercheur au Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l'Université Harvard, et Luis Soenksen, Venture Builder à la Abdul Latif Jameel Clinic for Machine Learning in Health du MIT et ancien postdoctorant au Wyss Institute, sont les principaux auteurs de l'article. qui paraît aujourd'hui dans Nature Biotechnology.
Capteurs portables
Les nouveaux capteurs portables et le masque facial de diagnostic sont basés sur une technologie que Collins a commencé à développer il y a plusieurs années. En 2014, il a montré que les protéines et les acides nucléiques nécessaires pour créer des réseaux de gènes synthétiques qui réagissent à des molécules cibles spécifiques pouvaient être intégrés dans du papier, et il a utilisé cette approche pour créer des diagnostics papier pour les virus Ebola et Zika. En collaboration avec le laboratoire de Feng Zhang en 2017, Collins a développé un autre système de capteurs sans cellules, connu sous le nom de SHERLOCK, qui est basé sur les enzymes CRISPR et permet une détection très sensible des acides nucléiques.
Ces composants de circuit sans cellules sont lyophilisés et restent stables pendant plusieurs mois, jusqu'à ce qu'ils soient réhydratés. Lorsqu'elles sont activées par l'eau, elles peuvent interagir avec leur molécule cible, qui peut être n'importe quelle séquence d'ARN ou d'ADN, ainsi que d'autres types de molécules, et produire un signal tel qu'un changement de couleur.
Plus récemment, Collins et ses collègues ont commencé à travailler sur l'incorporation de ces capteurs dans les textiles, dans le but de créer une blouse de laboratoire pour les travailleurs de la santé ou d'autres personnes potentiellement exposées à des agents pathogènes.
Tout d'abord, Soenksen a effectué un criblage de centaines de types de tissus différents, du coton au polyester en passant par la laine et la soie, pour déterminer lesquels pourraient être compatibles avec ce type de capteur. «Nous avons fini par identifier un couple qui est très largement utilisé dans l'industrie de la mode pour la confection de vêtements», dit-il. "Celui qui était le meilleur était une combinaison de polyester et d'autres fibres synthétiques."
Pour fabriquer des capteurs portables, les chercheurs ont intégré leurs composants lyophilisés dans une petite section de ce tissu synthétique, où ils sont entourés d'un anneau d'élastomère de silicone. Cette compartimentation empêche l'échantillon de s'évaporer ou de se diffuser loin du capteur. Pour démontrer la technologie, les chercheurs ont créé une veste intégrée avec environ 30 de ces capteurs.
Ils ont montré qu'une petite éclaboussure de liquide contenant des particules virales, imitant l'exposition à un patient infecté, peut hydrater les composants cellulaires lyophilisés et activer le capteur. Les capteurs peuvent être conçus pour produire différents types de signaux, notamment un changement de couleur visible à l'œil nu ou un signal fluorescent ou luminescent pouvant être lu avec un spectromètre portable. Les chercheurs ont également conçu un spectromètre portable qui pourrait être intégré au tissu, où il peut lire les résultats et les transmettre sans fil à un appareil mobile.
"Cela vous donne un cycle de retour d'informations qui peut surveiller votre exposition environnementale et vous alerter, ainsi que les autres, de l'exposition et de l'endroit où elle s'est produite", explique Nguyen.
Un masque facial de diagnostic
Alors que les chercheurs terminaient leurs travaux sur les capteurs portables au début de 2020, Covid-19 a commencé à se répandre dans le monde entier, ils ont donc rapidement décidé d'essayer d'utiliser leur technologie pour créer un diagnostic du virus SARS-CoV-2.
Pour produire leur masque facial de diagnostic, les chercheurs ont intégré des capteurs SHERLOCK lyophilisés dans un masque en papier. Comme pour les capteurs portables, les composants lyophilisés sont entourés d'élastomère de silicone. Dans ce cas, les capteurs sont placés à l'intérieur du masque, afin qu'ils puissent détecter des particules virales dans l'haleine de la personne portant le masque.
Le masque comprend également un petit réservoir d'eau qui se libère en appuyant sur un bouton lorsque le porteur est prêt à effectuer le test. Cela hydrate les composants lyophilisés du capteur SARS-CoV-2, qui analyse les gouttelettes respiratoires accumulées à l'intérieur du masque et produit un résultat en 90 minutes.
"Ce test est aussi sensible que les tests PCR de référence, très sensibles, mais il est aussi rapide que les tests d'antigène qui sont utilisés pour une analyse rapide de Covid-19", explique Nguyen.
Les prototypes développés dans cette étude ont des capteurs à l'intérieur du masque pour détecter l'état d'un utilisateur, ainsi que des capteurs placés à l'extérieur des vêtements, pour détecter l'exposition de l'environnement. Les chercheurs peuvent également échanger des capteurs contre d'autres agents pathogènes, notamment la grippe, Ebola et Zika, ou des capteurs qu'ils ont développés pour détecter les agents neurotoxiques organophosphorés.
« Grâce à ces démonstrations, nous avons essentiellement réduit la fonctionnalité des installations de test moléculaire de pointe dans un format compatible avec des scénarios portables dans une variété d'applications », a déclaré Soenksen.
Les chercheurs ont déposé un brevet sur la technologie et ils espèrent maintenant travailler avec une entreprise pour développer davantage les capteurs. Le masque facial est très probablement la première application qui pourrait être disponible, dit Collins.
«Je pense que le masque facial est probablement le plus avancé et le plus proche d'un produit. Nous avons déjà eu beaucoup d'intérêt de la part de groupes externes qui aimeraient prendre les efforts de prototype que nous avons et les faire évoluer vers un produit approuvé et commercialisé », dit-il.
La recherche a été financée par la Defense Threat Reduction Agency ; le Groupe Frontières Paul G. Allen; l'Institut Wyss ; Johnson et Johnson Innovation JLABS ; l'Institut Ragon de MGH, MIT et Harvard ; et la Fondation Patrick J. McGovern.
