« Une nouvelle méthode d'analyse bactérienne pour améliorer les soins de santé, la sécurité des aliments et plus », source communiqué de Penn State.
La détection des bactéries viables est importante dans divers domaines, de la sécurité des aliments au diagnostic médical. Les techniques existantes pour effectuer des tests de sensibilité aux antibiotiques (TSA), des tests qui, par exemple, permettent aux prestataires de soins de santé de prescrire la dose correcte d'antibiotiques pour une infection particulière, sont lentes, nécessitent un personnel qualifié ou utilisent des instruments encombrants et coûteux.
Un nouveau capteur électrochimique développé par les chercheurs de Penn State peut désormais simplifier ce processus, tout en étant peu coûteux et portable, et peut directement surveiller les bactéries viables dans des échantillons liquides tels que le sang ou le lait.
«Le sang est une solution très complexe», a déclaré Aida Ebrahimi, professeur adjoint d’ingénierie électrique à l’École de génie électrique et d’informatique de Penn State.
Il comporte divers composants, notamment des globules rouges et de nombreuses protéines, qui rendent la détection de cibles spécifiques, telles que les cellules bactériennes vivantes, très difficile. Il est également opaque sur le plan optique, ce qui rend difficile pour les méthodes optiques d'analyser directement le sang.
En revanche, les capteurs électrochimiques ne sont pas limités par l'opacité de l'échantillon. Cependant, les méthodes électrochimiques existantes pour mesurer la viabilité bactérienne nécessitent de mélanger un réactif redox avec l'échantillon. Le réactif redox échange des électrons avec les cellules métabolisantes. Cependant, un problème est que ce réactif peut interférer avec les antibiotiques. De plus, l'ajout de ces réactifs limite l'application de capteurs pour la détection de bactéries vivantes, par exemple dans le screening alimentaire.
La nouvelle méthode développée par le groupe d'Ebrahimi ne nécessite aucun agent supplémentaire.
«Nous avons développé un cristal redox, appelé RZx, en utilisant une méthode d'électrodéposition simple qui n'utilise que des composants organiques», a déclaré Ebrahimi. «Le processus de création du matériau est très peu coûteux et se fait à température ambiante et à pH neutre - ni acide, ni alcalin - ce qui le rend très sûr et écologique. Le cristal organique permet la détection directe de l'activité métabolique bactérienne en détectant les changements de pH dus à la respiration cellulaire et en détectant les petites molécules libérées par métabolisation des cellules – vivantes.»
Les chercheurs ont également montré la polyvalence du processus de fabrication des capteurs en déposant du RZx sur une variété d'électrodes, des électrodes de carbone sérigraphiées sur papier aux électrodes de graphène induites par laser créées à l'aide d'un système de gravure laser au CO2. Cette capacité à concevoir et à fabriquer des géométries arbitraires est importante pour la production évolutive et l'ingénierie des appareils.
Alors que l’équipe d’Ebrahimi a récemment réalisé d’autres développements pour les tests rapides de sensibilité aux antibiotiques, les capteurs basés sur le RZx sont portables. De plus, dans leurs recherches précédentes, ils ont examiné le mouvement des bactéries, alors qu'ici, ils sondent l'activité métabolique des cellules. Ceci est avantageux car parfois les bactéries peuvent ne pas bouger tout en métabolisant ou en «respirant».
Ebrahimi a également noté que cette méthode pourrait être utilisée non seulement pour le diagnostic médical, mais aussi pour tester la qualité des aliments. En plus de tester le sang, les chercheurs ont testé des échantillons de lait, car la recherche de bactéries vivantes est importante pour la sécurité des aliments et le contrôle qualité. Le même principe peut également être appliqué pour tester l'eau pour la sécurité sanitaire et la surveillance de l'environnement.
Au-delà de ces travaux, Ebrahimi étudie également les applications futures de cette méthode.
«Pour l'avenir, nous envisageons d'étendre les travaux d'analyse d'autres agents pathogènes microbiens, tels que les moisissures, ainsi que des applications au-delà du test de sensibilité aux antibiotiques, en particulier pour les pansements intelligents ou les cathéters intelligents, car les infections bactériennes dans ces deux domaines sont de gros problèmes», dit-elle.
L'article qui traite de ces résultats, «Organic redox-active crystalline layers for reagent-free electrochemical antibiotic susceptibility testing (ORACLE-AST)», a été récemment publié dans la revue Biosensors and Bioelectronics. Les autres auteurs, tous de Penn State, sont Adam Bolotsky, étudiant diplômé en science et ingénierie des matériaux; les étudiants diplômés en génie électrique Ritvik Muralidharan, Derrick Butler et William Murray; Kayla Root, étudiante de premier cycle en biochimie et biologie moléculaire; et Zhiwen Liu, professeur de génie électrique.
Ce travail a été partiellement financé par le Penn State Materials-Life Science Convergence Award, le College of Engineering Multidisciplinary Research Seed Grant et le fonds de démarrage de la startup d'Ebrahimi.
