Un capteur photoacoustique pourrait aider les cliniciens à diagnostiquer des tumeurs, des dysfonctionnements d’organes et plus

« La quantité et l’emplacement de l’hémoglobine dans le corps fournissent des informations essentielles sur la perfusion sanguine ou l’accumulation à des endroits spécifiques. Notre appareil montre un grand potentiel dans la surveillance étroite des groupes à haut risque, permettant des interventions rapides dans les moments urgents », a déclaré Sheng Xu, professeur. de nanoingénierie à l’UC San Diego et auteur correspondant de l’étude.

L’article, “Un patch photoacoustique pour l’imagerie tridimensionnelle de l’hémoglobine et de la température centrale”, est publié dans le numéro du 15 décembre 2022 de Communication Nature.

Une faible perfusion sanguine à l’intérieur du corps peut provoquer de graves dysfonctionnements organiques et est associée à une gamme de maladies, notamment des crises cardiaques et des maladies vasculaires des extrémités. Dans le même temps, une accumulation anormale de sang dans des zones telles que le cerveau, l’abdomen ou les kystes peut indiquer une hémorragie cérébrale ou viscérale ou des tumeurs malignes. Une surveillance continue peut faciliter le diagnostic de ces affections et faciliter des interventions opportunes et potentiellement vitales.

Le nouveau capteur surmonte certaines limitations importantes des méthodes existantes de surveillance des biomolécules. L’imagerie par résonance magnétique (IRM) et la tomodensitométrie par rayons X reposent sur des équipements encombrants qui peuvent être difficiles à se procurer et ne fournissent généralement que des informations sur l’état immédiat de la molécule, ce qui les rend inadaptées à la surveillance à long terme des biomolécules.

“La surveillance continue est essentielle pour des interventions opportunes afin d’empêcher que des conditions potentiellement mortelles ne s’aggravent rapidement”, a déclaré Xiangjun Chen, étudiant au doctorat en nano-ingénierie du groupe Xu et co-auteur de l’étude. “Les appareils portables basés sur l’électrochimie pour la détection de biomolécules, sans se limiter à l’hémoglobine, sont de bons candidats pour les applications de surveillance portable à long terme. Cependant, les technologies existantes n’atteignent que la capacité de détection de la surface de la peau.”

Le nouveau patch portable flexible et à faible facteur de forme se fixe confortablement sur la peau, permettant une surveillance à long terme non invasive. Il peut effectuer une cartographie tridimensionnelle de l’hémoglobine avec une résolution spatiale inférieure au millimètre dans les tissus profonds, jusqu’à des centimètres sous la peau, par rapport à d’autres dispositifs électrochimiques portables qui ne détectent que les biomolécules à la surface de la peau. Il peut obtenir un contraste élevé avec d’autres tissus. En raison de sa sélectivité optique, il peut élargir la gamme de molécules détectables, intégrant différentes diodes laser avec différentes longueurs d’onde, ainsi que ses applications cliniques potentielles.

Le patch est équipé de réseaux de diodes laser et de transducteurs piézoélectriques dans sa matrice en polymère de silicone souple. Les diodes laser émettent des lasers pulsés dans les tissus. Les biomolécules du tissu absorbent l’énergie optique et émettent des ondes acoustiques dans les milieux environnants.

“Les transducteurs piézoélectriques reçoivent les ondes acoustiques, qui sont traitées dans un système électrique pour reconstruire la cartographie spatiale des biomolécules émettrices d’ondes”, a déclaré Xiaoxiang Gao, chercheur postdoctoral au laboratoire de Xu et co-auteur de l’étude.

“Avec ses impulsions laser de faible puissance, il est également beaucoup plus sûr que les techniques à rayons X qui ont des rayonnements ionisants”, a déclaré Hongjie Hu, chercheur postdoctoral dans le groupe Xu et co-auteur de l’étude.

Sur la base de son succès jusqu’à présent, l’équipe prévoit de développer davantage l’appareil, notamment en réduisant le système de contrôle principal à un appareil de taille portable pour la commande de diode laser et l’acquisition de données, élargissant considérablement sa flexibilité et son utilité clinique potentielle.

Ils prévoient également d’explorer le potentiel du portable pour la surveillance de la température centrale. “Parce que l’amplitude du signal photoacoustique est proportionnelle à la température, nous avons démontré la surveillance de la température centrale sur des expériences ex vivo”, a déclaré Xu. “Cependant, la validation de la surveillance de la température centrale sur le corps humain nécessite un étalonnage interventionnel.”

Ils continuent de travailler avec des médecins pour rechercher davantage d’applications cliniques potentielles.

Le travail a été soutenu en partie par Air Force Research Laboratory sous le numéro d’accord FA8650-18-2-5402, et les National Institutes of Health accordent 1R21EB025521-01 (SX), 1R21EB027303-01A1 (SX) et 3R21EB027303-02S1 (SX) .