Diagnostic au point de service pour plusieurs maladies simultanément à l'aide de la photonique

Puce photonique avec quatre micro-résonateurs en forme de bouteille © Fraunhofer IZM / Photonic chip with four bottle microresonators © Fraunhofer IZM

Cartouche optofluidique pour la détection de cytokines © Fraunhofer IZM | Volker Mai / Cartouche optofluidique pour la détection de cytokines © Fraunhofer IZM | Volker Mai

Ils font partie de notre quotidien et sont, depuis le début de la pandémie de COVID-19, connus d’un public non spécialisé : tests PCR ou autres tests antigéniques. À l’issue d’un projet de recherche transnational, le consortium dirigé par le Fraunhofer IZM annonce désormais qu’une plateforme photonique de diagnostic Point-of-Care de nouvelle génération est introduite. La pièce maîtresse de la plateforme est un dispositif de lecture automatique basé sur des microstructures en fibres optiques, garantissant des mesures très précises tout en pouvant analyser jusqu’à six capteurs photonique. Des maladies telles que la tuberculose et la fièvre Q peuvent ainsi être détectées et traitées précocement à l’avenir.

La pandémie de COVID-19 a une fois de plus montré l’importance d’un diagnostic rapide, abordable et évolutif des maladies infectieuses. Que ce soit pour de nouvelles maladies ou celles qui sont analysées et traitées depuis des décennies, le manque d’instruments de diagnostic efficaces et utilisables précocement entraîne chaque année des millions de décès évitables. Contrairement à d’autres technologies de diagnostic, limitées par leur fiabilité, leur taille ou leur coût, les plateformes de capteurs photonique révolutionnent les méthodes de diagnostic Point-of-Care en permettant une grande sensibilité, une compacité et des capacités de multiplexage pour la détection rapide et fiable des maladies infectieuses.

Dans le cadre du projet PoC-BoSens coordonné par le Fraunhofer IZM, un consortium international regroupant des chercheurs en photonique, microfluidique, biochimie, électronique et biomédecine s’est réuni pour développer un système de diagnostic optofluidique, proche du patient, pour des échantillons cellulaires, permettant la détermination quantitative de différents biomarqueurs pour plusieurs maladies infectieuses en moins de 15 minutes. La coordinatrice du projet, Dr. Alethea Vanessa Zamora Gómez du Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, peut confirmer avec succès : « Nous avons atteint nos objectifs de projet et pouvons, dans le cadre d’un projet suivant déjà validé, réaliser l’intégration finale des composants prototypes et leur qualification avec les partenaires du projet. Les prochaines étapes pour la commercialisation de la plateforme incluent donc la montée en échelle de la cartouche optofluidique et de l’unité de lecture, la vérification clinique et la validation pour le marquage CE. »

La technologie derrière la nouvelle plateforme PoC-BoSens consiste en une combinaison inédite de microresonateurs en bouteille photonique en fibres de verre et d’un système microfluidique pour le transport des échantillons de test. Les microresonateurs en bouteille appartiennent à une classe de structures photoniques caractérisées par une sensibilité exceptionnelle et une très haute compacité, ce qui les rend particulièrement adaptés à une détection multiplexée, rapide, de molécules cibles dans des applications telles que le Point-of-Care. Cependant, jusqu’à présent, aucune solution d’intégration n’était disponible pour ces microresonateurs en bouteille ou d’autres microresonateurs optiques tridimensionnels, ce qui empêchait leur utilisation.

C’est précisément ici que l’équipe de Gómez Gómez, au Fraunhofer IZM, intervient : le premier prototype de biosenseur démontre avec succès l’intégration d’une cartouche chip pratique basée sur quatre microresonateurs en bouteille. À l’aide d’outils semi-automatiques dans les laboratoires du Fraunhofer IZM, ces microstructures ont été intégrées avec une haute précision inférieure à un micromètre sur une puce photonique. Dans une deuxième étape, la puce photonique hybride a été reliée à une puce microfluidique. Une telle configuration optofluidique est idéale pour une détection multiplexée de molécules cibles. Un processus d’intégration complet d’un tableau de microbouteilles sur une puce n’a jamais été réalisé auparavant en raison de sa complexité. L’équipe du projet au Fraunhofer IZM a relevé ce défi : la puce assemblée peut désormais être combinée avec le système de lecture pour analyser les cytokines en tant que molécules cibles dans la plateforme PoC-BoSens. Les cytokines constituent un groupe diversifié de protéines jouant un rôle clé tant dans les agents pathogènes de la tuberculose et de la fièvre Q que dans le système immunitaire. Elles régulent et coordonnent la défense contre les agents pathogènes et sont donc responsables, en partie, du bon déroulement d’une réaction immunitaire. D’autres applications pourraient concerner la détection d’anticorps, pertinents dans la maladie cœliaque et d’autres maladies, où des tests de diagnostic et de surveillance rapides sont indispensables.

Un consortium multidisciplinaire hautement qualifié poursuit ses travaux sur les résultats du projet afin de faire progresser le diagnostic. Les partenaires impliqués, issus de quatre pays différents, proviennent du secteur académique et industriel : Fraunhofer IZM (DE), Austrian Institute of Technology (AT), Scuola Superiore Sant’Anna (IT), MDX Devices GmbH (DE), ifU Diagnostic Systems GmbH (DE), Diarect AG (DE), SCIENION GmbH (DE), Syel S.R.L. (IT) et Unitive Design & Analysis Ltd (RU). Le ministère fédéral de l’Éducation et de la Recherche a financé le projet PoC-BoSens dans le cadre de l’initiative transnationale « Photonics Based Sensing ERA-NET Cofund (PhotonicSensing) ». La durée du projet s’étendait du 1er avril 2018 au 31 décembre 2021, avec un volume d’environ 2,4 millions d’euros.