Pour certains des médicaments puissants utilisés pour combattre les infections et le cancer, il n’y a qu’une petite différence entre une dose curative et une dose suffisamment importante pour provoquer des effets secondaires dangereux. Mais prédire cette fourchette est un défi persistant car différentes personnes réagissent différemment aux drogues ; même à la même dose.
Actuellement, les médecins peuvent évaluer la quantité de médicament qu’ils administrent en partie en prélevant du sang pour tester la quantité de médicament dans le corps d’un patient. Mais les résultats de ces tests prennent souvent une journée à traiter et ne mesurent la dose qu’à un ou deux moments dans le temps, ils ne sont donc pas très utiles pour déterminer comment ajuster les doses en temps réel.
Maintenant, une équipe de recherche dirigée par l’UCLA a développé un patch portable qui utilise des micro-aiguilles peu coûteuses pour analyser le liquide entre les cellules à moins d’un millimètre sous la peau et enregistrer en continu les concentrations de médicaments dans le corps. La technologie pourrait être une étape vers l’amélioration de la capacité des médecins à administrer des doses précises de médicaments.
Dans une étude publiée dans Science Advances, les chercheurs ont testé le système sur des rats qui avaient été traités avec des antibiotiques. En utilisant les données prises par l’appareil dans les 15 minutes suivant l’administration du médicament, les chercheurs ont prédit de manière fiable la quantité totale de ce médicament qui serait réellement administrée au système de l’animal.
Cette technologie de micro-aiguille à biodétection fait progresser de nombreux aspects différents de la médecine personnalisée. Cela peut nous permettre d’améliorer les traitements en optimisant la dose du médicament pour chaque individu, et c’est pas cher, donc tout le monde peut bénéficier de cette solution. De plus, cela peut nous permettre d’informer les soins en mesurant non seulement les molécules médicamenteuses, mais aussi les molécules naturelles dans le corps qui sont pertinentes pour la santé, offrant un nouveau format de surveillance portable de la santé. »
Sam Emaminejad, auteur principal et correspondant de l’article, membre du California Institute for Nanosystems à l’UCLA
Emaminejad est également professeur agrégé de génie électrique et informatique à la UCLA Samueli School of Engineering et directeur du Laboratoire de bioélectronique interconnectée et intégrée.
La capacité de mesurer avec précision la dose d’un médicament pourrait également élargir les options des médecins pour traiter leurs patients. Aujourd’hui, les médecins évitent de prescrire certains médicaments qui peuvent être très efficaces à la bonne dose mais toxiques voire mortels à trop forte dose. Leur permettre d’administrer ces médicaments de manière plus sûre peut également contribuer à atténuer la résistance croissante des bactéries dangereuses aux antibiotiques.
« La crise émergente de la résistance microbienne aux antibiotiques est due en partie à l’utilisation inefficace des antibiotiques, y compris aux mauvais choix de médicaments », a déclaré le co-auteur de l’étude, Carlos Milla, pneumologue pédiatrique à l’Université de Stanford. « Souvent, cela est dû aux difficultés d’administration des médicaments les plus efficaces pour éviter les toxicités graves. Ce capteur ouvre certainement la possibilité d’une grande précision et confiance en utilisant les médicaments les plus efficaces. »
Le patch, d’environ un quart de pouce de diamètre, détecte les médicaments à l’aide de brins d’ADN modifiés appelés aptamères. Lorsqu’un aptamère entre en contact avec une molécule cible spécifique, il change de forme. Dans le dispositif, une extrémité des aptamères est ancrée à des nanoparticules d’or déposées sur la microaiguille. L’autre extrémité des aptamères est attachée à des molécules spéciales qui produisent des signaux mesurables lorsque les aptamères changent de forme.
La partie exposée des micro-aiguilles, fabriquées en coupant des aiguilles d’acupuncture de qualité clinique, ne mesure qu’un demi-millimètre de long.
Les chercheurs ont testé l’appareil sur des rats en utilisant trois doses différentes de l’antibiotique tobramycine. Ils ont constaté que les mesures des concentrations de médicaments par patch étaient en corrélation avec celles produites par les tests sanguins conventionnels. La mesure par patch de la concentration maximale de médicament dans le corps – ; qui survient dans les 12 à 20 premières minutes après l’administration d’une dose – ; il pourrait être utilisé pour prédire la quantité de médicament qui est réellement délivrée au corps au cours d’une heure ou plus.
« Ces expériences ont non seulement démontré que nos lectures de capteurs sont fiables, mais ont également validé nos modèles pour corréler des mesures peu invasives avec la concentration de médicaments dans le sang en circulation », a déclaré l’auteur principal Shuyu Lin, un ancien membre du laboratoire d’Emaminejad qui a récemment obtenu son doctorat de UCLA.
Les auteurs estiment que les matériaux pour produire le patch coûteraient moins de 2 dollars par unité, suggérant qu’il pourrait être fabriqué de manière rentable à grande échelle. Les études futures se concentreront sur l’optimisation du patch et l’analyse plus approfondie de sa sécurité, avant de passer aux essais cliniques. Cette recherche sera financée en partie par une subvention du Noble Family Innovation Fund du CNSI.
Les autres auteurs principaux de l’article sont les étudiants diplômés de l’UCLA Xuanbing Cheng et Jialun Zhu, également du laboratoire d’Emaminejad. Parmi les autres auteurs de l’UCLA figurent les anciens chercheurs postdoctoraux Bo Wang et Yichao Zhao ; les étudiants diplômés Tsung-Yu Wu, Jiawei Tan et Wenzhong Yan ; les étudiants universitaires Justin Yeung et Sarah Forman; associé de recherche David Jelinek; Abraham Horrillo, qui a récemment obtenu un baccalauréat; et Hilary Coller, professeur de biologie moléculaire, cellulaire et du développement et de chimie biologique.
L’étude a été soutenue par la National Science Foundation, la Brain & Behavior Foundation, la Melanoma Research Alliance et le UCLA Innovation Fund.
Institut californien des nanosystèmes
Lin, S. et coll. (2022) Biodétection d’aptamères électrochimiques portables à base de micro-aiguilles pour un dosage précis de médicaments avec des fenêtres thérapeutiques étroites. Progrès de la science. doi.org/10.1126/sciadv.abq4539.