Un capteur portable et extensible permet une détection rapide, continue et non invasive des biomarqueurs cutanés à l’état solide

La détection précoce des maladies nécessite une surveillance rapide, continue et pratique des biomarqueurs vitaux. Des chercheurs de l’Université nationale de Singapour (NUS) et de l’Agence pour la science, la technologie et la recherche (A*STAR) ont développé un nouveau capteur qui permet la détection continue et en temps réel des biomarqueurs épidermiques à l’état solide (SEB), une nouvelle catégorie d’indicateurs de santé.

Dirigée conjointement par le professeur adjoint Liu Yuxin de l’Institut d’innovation et de technologie en santé de la NUS ainsi que de l’Institut N.1 pour la santé et du Département d’ingénierie biomédicale du Collège de conception et d’ingénierie de la NUS, et par le Dr Yang Le, scientifique principal et chef du département des capteurs et de l’électronique flexible de l’Institut de recherche et d’ingénierie des matériaux de l’A*STAR (IMRE de l’A*STAR), l’innovation de l’équipe de recherche offre une méthode non invasive pour surveiller la santé en détectant des biomarqueurs tels que le cholestérol et le lactate, directement sur la peau.

Le capteur portable et extensible à base d’hydrogel développé par l’équipe surmonte les limites des méthodes actuelles qui reposent sur des échantillons de biofluides, tels que le sang, l’urine et la sueur. Il constitue donc une alternative prometteuse pour la surveillance de la santé portable, continue et en temps réel, facilitant la détection précoce de maladies telles que les maladies cardiovasculaires et les accidents vasculaires cérébraux.

Il permet également de surveiller efficacement les niveaux de lactate des athlètes, un indicateur d’épuisement et d’hypoxie tissulaire qui affecte leurs performances. Ce développement est particulièrement pertinent dans des domaines tels que la gestion des maladies chroniques, le dépistage à l’échelle de la population, la surveillance à distance des patients et la physiologie du sport.

Les résultats de l’équipe ont été publiés dans la revue Matériaux naturels le 12 juin 2024. L’Institut de calcul haute performance et l’Institut de biologie moléculaire et cellulaire de l’A*STAR, ainsi que l’Université technologique de Nanyang, à Singapour, ont également contribué à la recherche.

Innover pour surmonter les défis existants

La surveillance des biomarqueurs (des substances chimiques présentes dans le sang ou d’autres liquides corporels qui captent ce qui se passe dans une cellule ou un organisme à un moment donné) implique traditionnellement l’analyse de biofluides tels que le sang, l’urine et la sueur. Bien qu’efficaces, ces méthodes comportent des défis.

Les analyses sanguines sont invasives et peu pratiques, tandis que les analyses d’urine peuvent être fastidieuses et ne pas être en temps réel. L’analyse des biomarqueurs de la sueur, bien que non invasive, est limitée par la difficulté de provoquer la transpiration chez les personnes inactives et par l’inconfort lié à l’utilisation de médicaments provoquant la transpiration. Tous ces éléments constituent des obstacles au diagnostic et au traitement précoces des maladies.

Les SEB offrent une alternative intéressante. Ces biomarqueurs, qui comprennent le cholestérol et le lactate, se trouvent dans la couche cornée, la couche la plus externe de la peau, et ont montré de fortes corrélations avec des maladies telles que les maladies cardiovasculaires et le diabète. Cependant, la détection directe de ces biomarqueurs s’est avérée difficile. Par exemple, les électrodes solides traditionnelles ne disposent pas des voies de transport de charge nécessaires pour permettre la détection électrochimique des SEB.

L’équipe de recherche de la NUS et de l’A*STAR a surmonté ce défi grâce à leur nouveau capteur. Lorsque l’appareil est porté sur la peau, les SEB se dissolvent dans la couche d’hydrogel conducteur ionique (ICH), diffusent à travers la matrice d’hydrogel et subissent des réactions électrochimiques catalysées par des enzymes à la jonction entre l’ICH et la couche d’hydrogel conducteur électronique (ECH).

Les données physiologiques pertinentes sont ensuite transmises sans fil à une interface utilisateur externe via un circuit imprimé flexible, offrant ainsi des capacités de surveillance continue. Le capteur est fabriqué à l’aide d’un procédé de fabrication évolutif et économique appelé sérigraphie.

« Notre nouvelle technologie de capteur d’hydrogel est essentielle pour permettre la détection non invasive de biomarqueurs à l’état solide sur la peau. La couche d’hydrogel conductrice ionique qui solvate les biomarqueurs et la couche d’hydrogel conductrice électronique facilitent le transport des électrons.

« Cette bicouche permet la solvatation séquentielle, la diffusion et la réaction électrochimique des biomarqueurs. Un autre point fort est la sensibilité du capteur, qui permet de détecter avec précision les biomarqueurs même en faible quantité », a déclaré le professeur adjoint Liu.

« Ce capteur portable est le premier au monde à pouvoir surveiller les biomarqueurs sur la peau sèche ou non transpirante. La nouvelle électrode en hydrogel bicouche du capteur interagit avec les biomarqueurs de notre peau et les détecte, leur permettant de devenir une nouvelle classe d’indicateurs de santé. La conception extensible améliore également le confort et la précision, en s’adaptant à l’élasticité naturelle de notre peau.

« Cette innovation peut changer la façon dont nous abordons la surveillance de la santé et du mode de vie, en particulier pour les personnes souffrant de maladies chroniques nécessitant une surveillance constante de la santé », a déclaré le Dr Yang.

Fiable, sensible et convivial

Contrairement aux capteurs traditionnels qui nécessitent des échantillons de biofluides, ce capteur peut surveiller en continu et de manière non invasive les SEB directement sur la peau, ce qui le rend précieux pour la surveillance à distance des patients et le dépistage de santé à l’échelle de la population.

Lors d’études cliniques, le capteur a démontré de fortes corrélations entre les biomarqueurs détectés sur la peau et ceux retrouvés dans les échantillons sanguins. Cela valide la précision et la fiabilité du capteur, suggérant qu’il pourrait constituer une alternative aux analyses sanguines pour le suivi des maladies chroniques telles que le diabète, l’hyperlipoprotéinémie et les maladies cardiovasculaires.

La sensibilité du capteur est un autre avantage, car il peut détecter le lactate et le cholestérol à l’état solide à des niveaux très faibles. Ce niveau de sensibilité se rapproche de celui de la spectrométrie de masse, qui assure un suivi précis de ces biomarqueurs.

De plus, la conception du capteur réduit de trois fois les artefacts de mouvement, qui se produisent lorsque les mouvements de l’utilisateur affectent le positionnement du capteur ou sa pression de contact sur la peau, par rapport aux homologues conventionnels. Cette nouvelle découverte a été modélisée mathématiquement avec succès. En minimisant les perturbations causées par le mouvement, l’hydrogel bicouche garantit des mesures cohérentes et fiables, tandis que la nature extensible et semblable à la peau de l’appareil améliore le confort de l’utilisateur.

« L’une des applications possibles de cette technologie est de remplacer le test de grossesse diabétique, communément appelé test de tolérance au glucose. Plutôt que de soumettre les femmes enceintes à de multiples prises de sang, notre capteur pourrait être utilisé pour suivre les niveaux de sucre en temps réel de manière pratique au domicile des patients, avec un niveau de précision similaire à celui des tests traditionnels. Cela peut également être appliqué au diabète en général, remplaçant la nécessité de tests réguliers par piqûre au doigt », a expliqué le professeur adjoint Liu.

« Une autre application potentielle est l’utilisation du capteur dans la surveillance quotidienne de la santé cardiaque, car les maladies cardiovasculaires sont responsables de près d’un tiers des décès à Singapour. L’équipe de recherche a lancé un programme de recherche pour travailler en étroite collaboration avec des cardiologues afin d’établir une corrélation clinique entre les biomarqueurs (lactate, cholestérol et glucose) et la santé cardiaque », a déclaré le Dr Yang.

Déploiement de capteurs de nouvelle génération

Les chercheurs de la NUS et de l’A*STAR prévoient d’améliorer les performances du capteur en augmentant son temps de fonctionnement et sa sensibilité. Ils souhaitent également intégrer d’autres analytes à l’état solide, élargissant ainsi l’applicabilité du capteur à d’autres biomarqueurs.

Les chercheurs collaborent également avec les hôpitaux pour fournir une validation clinique supplémentaire et apporter la technologie aux patients, notamment pour la surveillance continue de la glycémie, ainsi que pour l’évaluation quantitative de la résilience dynamique.