Des abonnements
pour l'enrichissement
03 août 2020 | La Revue POLYTECHNIQUE | Sensorique

Un nouveau capteur pour le virus Covid-19

Une équipe de chercheurs de l’Empa, de l’EPFZ et de l’Hôpital universitaire de Zurich a réussi à développer un nouveau capteur pour détecter le coronavirus Covid-19. Cet instrument pourrait, à l’avenir, être utilisé pour mesurer la concentration du virus dans l’environnement, dans les endroits fréquentés ou dans les systèmes de ventilation des hôpitaux, par exemple.
Jing Wang et son équipe de l’Empa et de l’École polytechnique fédérale de Zurich travaillent habituellement à la mesure, à l’analyse et à la réduction des polluants atmosphériques, tels que les aérosols et les nanoparticules produites artificiellement. Cependant, le défi auquel le monde entier est confronté actuellement modifie les objectifs et les stratégies des laboratoires de recherche. C’est ainsi que ces scientifiques ont réussi à mettre au point un nouveau capteur capable de détecter rapidement et de manière fiable, le nouveau coronavirus Covid-19.

Le capteur utilise un effet optique et thermique pour détecter le virus Covid-19 de manière fiable. (Image: Fusion Medical Animation)
Des capteurs capables de détecter virus et bactéries

C’est que cette idée ne diffère pas des précédents travaux de recherche du groupe ; avant même que la Covid-19 ne commence à se répandre, d’abord en Chine puis dans le monde entier, Jing Wang et ses collègues étaient à la recherche de capteurs capables de détecter des bactéries et des virus dans l’air.
À partir du mois de janvier, les chercheurs ont eu l’idée de s’appuyer sur cette base pour développer ces capteurs de manière à ce qu’ils puissent identifier de manière fiable un virus spécifique. L’instrument mis au point ne remplacera pas nécessairement les tests de laboratoire établis, mais il pourrait être utilisé comme méthode alternative pour le diagnostic clinique, et plus particulièrement pour mesurer la concentration de virus dans l’air en temps réel, dans des endroits très fréquentés comme les gares ou les hôpitaux, par exemple.
Des tests rapides et fiables pour le nouveau coronavirus sont nécessaires de toute urgence pour maîtriser la pandémie le plus rapidement possible. La plupart des laboratoires utilisent une méthode moléculaire appelée « amplification en chaîne par polymerase (ACP) » pour détecter les virus dans les infections respiratoires. Cette méthode est bien établie et permet de détecter des quantités de virus même infimes, mais elle peut aussi prendre beaucoup de temps et être sujette à des erreurs. D’où l’intérêt de ce nouveau capteur.

Un capteur optique pour les échantillons d’ARN
Jing Wang et son équipe ont développé une méthode de test alternative sous la forme d’un biocapteur optique. Ce capteur combine deux effets différents pour détecter le virus de manière fiable : un effet optique et un effet thermique.
Le nouveau capteur est basé sur de minuscules structures d’or, appelées nano-isols d’or, fixées sur un substrat de verre. Des récepteurs d’ADN produits artificiellement, qui correspondent à des séquences d’ARN spécifiques du CoV-2 du SRAS, sont greffés sur ces nanoparticules. Le coronavirus est un virus à ARN. Son génome n’est pas constitué d’un brin double d’ADN comme dans les organismes vivants, mais d’un seul brin d’ARN. Les récepteurs sur le capteur sont donc les séquences complémentaires des séquences d’ARN uniques du virus, qui peuvent identifier le virus de manière fiable.
La technologie utilisée par les chercheurs pour la détection est appelée LSPR, abréviation de « résonance des plasmons de surface localisée ». Il s’agit d’un phénomène optique qui se produit dans les nanostructures métalliques. Lorsque celles-ci sont excitées, elles modulent la lumière incidente dans une plage de longueur d’onde spécifique et créent un champ plasmonique autour de la nanostructure. Lorsque les molécules se lient à la surface, l’indice de réfraction dans le champ plasmonique excité change. Un capteur optique peut être utilisé pour mesurer ce changement et ainsi déterminer si l’échantillon contient les brins d’ARN recherchés.


Un nouveau capteur optique pourrait être utilisé pour mesurer les concentrations du virus dans des endroits très fréquentés. (Image: Tomek Baginski, Unsplash)

L’effet photothermique plasmonique
Toutefois, il est important que seuls les brins d’ARN qui correspondent exactement au récepteur d’ADN sur le capteur soient saisis. C’est là qu’un deuxième effet entre en jeu sur le capteur : l’effet photothermique plasmonique (PPT). Si la même nanostructure sur le capteur est excitée par un laser d’une certaine longueur d’onde, elle produit une chaleur localisée.
Et en quoi cela contribue-t-il à la fiabilité ? Si le seul brin d’ARN du génome du virus trouve sa contrepartie complémentaire, les deux se combinent pour former un double brin – un processus appelé hybridation. La contrepartie – lorsqu’un double brin se divise en brins uniques – est appelée fusion ou dénaturation. Cela se produit à une certaine température, la température de fusion.

La chaleur augmente la fiabilité
Cependant, si la température ambiante est beaucoup plus basse que la température de fusion, des brins qui ne sont pas complémentaires entre eux peuvent également se connecter. Cela peut conduire à de faux résultats de tests. Si la température ambiante n’est que légèrement inférieure à la température de fusion, seuls des brins complémentaires peuvent se joindre. Et c’est exactement le résultat de l’augmentation de la température ambiante, qui est causée par l’effet du PPT.
Pour démontrer la fiabilité avec laquelle le nouveau capteur détecte le virus Covid-19, les chercheurs l’ont testé avec un virus très proche, le SARS-CoV. Il s’agit du virus qui s’est déclaré en 2003 et qui a déclenché la pandémie de SRAS. Les deux virus – SRAS-CoV et SRAS-CoV2 – ne diffèrent que légèrement au niveau de leur ARN. Et la validation a été réussie. « Les tests ont montré que le capteur peut clairement distinguer les séquences d’ARN très similaires des deux virus », explique Jing Wang. Et les résultats sont prêts en quelques minutes.

Des développements encore nécessaires
Pour l’instant, cependant, le capteur n’est pas encore prêt à mesurer la concentration de coronavirus dans l’air. Pour ce faire, un certain nombre d’étapes de développement sont encore nécessaires, comme un système qui aspire l’air, y concentre les aérosols et libère l’ARN des virus, par exemple. « Cela nécessite encore des travaux de développement », ajoute Jing Wang. Mais une fois que le capteur sera prêt, le principe pourrait être appliqué à d’autres virus et aider à détecter et à stopper les épidémies à un stade précoce.

Bibliographie
G Qiu, Z Gai, Y Tao, J Schmitt, G A Kullak-Ublick, J Wang; Dual-Functional Plasmonic Photothermal Biosensors for Highly Accurate Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 Detection; ACS Nano 2020, doi.org/10.1021/acsnano.0c02439
Prof. Jing Wang
Advanced Analytical Technologies
Tél. 058 765 61 15
jing.wang@empa.ch