Pour permettre un diagnostic précoce des maladies aiguës et une gestion efficace des conditions chroniques, la technologie des tests de point de service (POCT) – diagnostics menés près du patient – attire l'attention mondiale. La clé du POCT réside dans les enzymes qui reconnaissent et réagissent précisément avec des substances spécifiques. Cependant, les enzymes naturelles traditionnelles sont coûteuses et instables, et les nanozymes (catalyseurs d'immeuble enzymatique) ont souffert d'une faible sélectivité de réaction.
Une équipe de recherche coréenne a maintenant développé une plate-forme de capteur à haute sensibilité qui atteint une sélectivité 38 fois plus élevée que les nanozymes existants et permet aux diagnostics de la maladie visibles à l'œil nu en seulement trois minutes. Les résultats sont publiés dans la revue Matériaux avancés.
L'équipe de recherche du professeur Jinwoo Lee du Département de génie chimique et biomoléculaire, en collaboration avec des équipes dirigée par le professeur Jeong Woo Han à l'Université nationale de Séoul et le professeur Moon Il Kim à l'Université de Gachon, a développé le nouveau catalyseur à atomes uniques qui effectue sélectivement uniquement des réactions de perroxydase tout en conservant une efficacité de réaction élevée.
En utilisant des fluides corporels tels que le sang, l'urine ou la salive, cette plate-forme de diagnostic permet de lire les résultats des tests en quelques minutes même à l'extérieur des milieux hospitaliers – améliorant considérablement l'accessibilité médicale et garantissant un traitement en temps opportun. La clé réside dans la détection visuelle des biomarqueurs (indicateurs de la maladie) par des changements de couleur déclenchés par les réactions enzymatiques. Cependant, les enzymes naturelles sont coûteuses et facilement dégradées dans les environnements de diagnostic, limitant leur stockage et leur distribution.
Pour y remédier, des matériaux de nanozymes inorganiques ont été développés comme substituts. Pourtant, ils manquent généralement de sélectivité – lorsque le peroxyde d'hydrogène est utilisé comme substrat, le même catalyseur déclenche à la fois des réactions de type peroxydase (qui provoquent un changement de couleur) et des réactions de type catalase (qui éliminent le substrat), réduisant la précision du signal diagnostique.
Pour contrôler la sélectivité du catalyseur au niveau atomique, les chercheurs ont utilisé une conception structurelle innovante: attacher des ligands de chlore (CL) dans une configuration tridimensionnelle à l'atome central du ruthénium (RU) pour affiner ses propriétés chimiques. Cela leur a permis d'isoler uniquement le signal de diagnostic souhaité.
Les résultats expérimentaux ont montré que le nouveau catalyseur avait atteint une amélioration de plus de 38 fois de la sélectivité par rapport aux nanozymes existants, avec une sensibilité et une vitesse significativement accrues dans la détection du peroxyde d'hydrogène. Même dans des conditions presque physiologiques (pH 6,0), le catalyseur a maintenu ses performances, prouvant son applicabilité dans les diagnostics du monde réel.
En incorporant le catalyseur et l'oxydase dans un capteur papier, l'équipe a créé un système qui pourrait détecter simultanément quatre biomarqueurs clés liés à la santé: le glucose, le lactate, le cholestérol et la choline, le tout avec un simple changement de couleur.
Cette plate-forme est largement applicable à divers diagnostics de maladie et peut fournir des résultats en trois minutes sans instruments complexes ni ajustements de pH. Les résultats montrent que les performances de diagnostic peuvent être considérablement améliorées sans changer la plate-forme elle-même, mais plutôt en gérant la structure du catalyseur.
Le professeur Jinwoo Lee de Kaist a déclaré: « Cette étude est significative en ce qu'elle réalise simultanément la sélectivité et la réactivité au niveau des enzymes en concevant structurellement les catalyseurs à atomes uniques. » Il a ajouté que « la stratégie de conception des catalyseurs structure-fonction peut être étendue au développement de divers catalyseurs basés sur des métaux et autres domaines de réaction où la sélectivité est critique ».
