Mécanisme révolutionnaire d’autosurveillance du glucose : une plateforme micro-ingénierée sur papier basée sur des spores microbiennes

Contexte académique

Le diabète est une maladie métabolique chronique caractérisée par des niveaux élevés de glucose dans le sang, pouvant entraîner des complications graves telles que des maladies cardiovasculaires, une rétinopathie diabétique, une insuffisance rénale et une neuropathie. Le nombre de patients diabétiques dans le monde devrait passer de 529 millions en 2021 à 1,3 milliard d’ici 2050, ce qui rend la surveillance efficace du glucose particulièrement cruciale. Bien que les traitements médicaux actuels ne puissent pas guérir le diabète, la surveillance du glucose permet aux patients de mieux gérer leur condition et de prévenir les complications.

Les dispositifs traditionnels de surveillance du glucose reposent généralement sur des capteurs électrochimiques à base d’enzymes, qui, bien que hautement sélectifs et portables, sont limités par la dégradation des enzymes, réduisant leur durée de vie et leur stabilité. Récemment, les chercheurs ont commencé à explorer des technologies de surveillance continue et non invasive du glucose, telles que la surveillance via la sueur, la salive et les larmes. Cependant, les systèmes de surveillance continue du glucose (CGM) actuels ne durent généralement que quelques jours et nécessitent des conditions de stockage spécifiques pour maintenir leurs performances.

Pour résoudre ces problèmes, Gao et ses collègues ont proposé un mécanisme d’autosurveillance du glucose basé sur des spores microbiennes, utilisant la germination sélective des spores de Bacillus subtilis en réponse au glucose dans des fluides biologiques riches en potassium (comme la sueur) pour générer un signal électrique, permettant ainsi la détection du glucose. Cette approche innovante prolonge non seulement la durée de vie du capteur, mais améliore également sa stabilité et sa sélectivité.

Source de l’article

L’article a été co-écrit par Yang Gao, Anwar Elhadad et Seokheun Choi, tous issus du département de génie électrique et informatique et du laboratoire de bioélectronique et microsystèmes de l’Université d’État de New York à Binghamton. L’article a été publié en 2024 dans la revue Microsystems & Nanoengineering.

Processus de recherche et résultats

Processus de recherche

1. Étude du mécanisme de germination des spores
   Les chercheurs ont d’abord étudié la réponse de germination des spores de Bacillus subtilis dans une solution artificielle de sueur riche en potassium en présence de glucose. À l’aide de microscopie à fluorescence et d’analyses électrochimiques, ils ont observé le processus de germination des spores et leur activité électrochimique en présence de glucose.

2. Conception et fabrication de la pile à combustible microbienne (MFC)
   Les chercheurs ont conçu une pile à combustible microbienne (MFC) basée sur du papier, en inoculant des spores de Bacillus subtilis dans la région anodique, tandis que la région cathodique était recouverte d’oxyde d’argent (Ag2O) comme catalyseur. Grâce à une technique d’impression à la cire, les régions anodique et cathodique ont été séparées pour assurer un transfert efficace d’électrons et de protons.

3. Détection du glucose et génération du signal électrique
   Dans la MFC, la présence de glucose a déclenché la germination des spores, et les cellules métaboliquement actives générées ont produit des électrons et des protons via des réactions électrochimiques, créant un courant. Les chercheurs ont mesuré la tension et la puissance de sortie à différentes concentrations de glucose à l’aide de résistances externes et ont établi une courbe d’étalonnage.

4. Intégration d’une interface de lecture portable
   Pour convertir le signal électrique de la MFC en une indication visuelle de la concentration de glucose, les chercheurs ont conçu une interface de lecture compacte utilisant un réseau de LED pour afficher la concentration de glucose. Cette interface était alimentée par une pile bouton et pouvait afficher en temps réel les niveaux de glucose.

Principaux résultats

1. Relation entre la germination des spores et la concentration de glucose
   Les expériences ont montré que les spores de Bacillus subtilis pouvaient germer rapidement en présence de glucose, et que le taux de germination et le nombre de cellules métaboliquement actives étaient proportionnels à la concentration de glucose. Grâce à la microscopie à fluorescence et à l’analyse électrochimique, les chercheurs ont confirmé l’activité électrochimique des spores en présence de glucose.

2. Sensibilité et sélectivité de la MFC
   La MFC a montré une sensibilité élevée dans une plage de concentration de glucose de 0,2 à 10 mM, avec une limite de détection (LOD) de 0,07 mM. Par rapport aux capteurs enzymatiques traditionnels, la MFC a maintenu des performances stables même après un stockage prolongé, démontrant un avantage significatif.

3. Performances de l’interface de lecture portable
   Le capteur MFC intégré pouvait afficher en temps réel la concentration de glucose via un réseau de LED, ce qui le rendait adapté à des applications de surveillance non invasive et portable du glucose. La conception compacte et la faible consommation d’énergie de ce système en font un outil potentiel pour la gestion future du diabète.

Conclusion et signification

Cette étude propose un mécanisme d’autosurveillance du glucose auto-alimenté basé sur des spores microbiennes, utilisant la germination sélective des spores de Bacillus subtilis en réponse au glucose dans des fluides biologiques riches en potassium pour générer un signal électrique, permettant ainsi une détection hautement sensible et sélective du glucose. Par rapport aux capteurs enzymatiques traditionnels, ce système présente un avantage significatif en termes de stabilité à long terme et de capacité d’auto-alimentation, surmontant les limites des technologies existantes.

Cette approche innovante offre non seulement une nouvelle solution pour la gestion du diabète, mais ouvre également la voie à de futures applications de biosensing. En optimisant davantage la vitesse de germination des spores et l’impact de la concentration de potassium, cette technologie pourrait être largement appliquée dans les dispositifs cliniques et portables.

Points forts de la recherche

1. Haute sensibilité et sélectivité : La MFC a montré une sensibilité élevée dans une plage de concentration de glucose de 0,2 à 10 mM, avec une limite de détection de 0,07 mM, et a pu distinguer avec précision le glucose des autres interférents.
2. Stabilité à long terme : Par rapport aux capteurs enzymatiques traditionnels, la MFC a maintenu des performances stables même après un stockage prolongé, démontrant un avantage significatif.
3. Auto-alimentation et portabilité : Grâce à l’intégration d’une interface de lecture portable, le capteur MFC pouvait afficher en temps réel la concentration de glucose, ce qui le rendait adapté à des applications de surveillance non invasive et portable du glucose.

Perspectives futures

Bien que cette étude ait obtenu des résultats significatifs, certains défis restent à relever. Par exemple, la vitesse de germination des spores est relativement lente, ce qui pourrait affecter l’efficacité de la surveillance en temps réel. Les recherches futures pourraient explorer des méthodes telles que l’activation thermique pour accélérer la germination des spores et optimiser davantage l’impact de la concentration de potassium sur les performances du capteur.

Cette étude offre de nouvelles perspectives pour le développement de technologies de surveillance du glucose, avec une valeur scientifique et applicative importante.