Capteurs innovants pour détecter la résistance aux antimicrobiens

L'augmentation des superbactéries résistantes aux antibiotiques entraîne une crise sanitaire mondiale. Selon les prévisions, les taux d'infection devraient retomber à leur niveau d'avant la pénicilline d'ici 2028, ce qui coûtera des milliards.

La solution ? Une détection plus précoce et plus précise des agents pathogènes résistants. C'est précisément là qu'intervient l'Empa avec ses technologies basées sur des capteurs, qui permettent un diagnostic plus rapide, des thérapies plus ciblées et une protection efficace contre la propagation de cette « pandémie silencieuse ».

Cet article, basé sur un communiqué de presse d'Andrea Six (Empa - Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux), donne un aperçu de la recherche pionnière sur les capteurs pour détecter les agents pathogènes résistants.

Les agents pathogènes résistants constituent l'une des plus grandes menaces pour notre santé, causant cinq millions de décès chaque année dans le monde. La résistance aux antimicrobiens (RAM) est depuis longtemps devenue une pandémie silencieuse qui non seulement coûte des vies, mais met également sous pression le système de santé mondial. De plus en plus d'infections ne peuvent plus être traitées avec des antibiotiques conventionnels, avec des conséquences fatales.

Cependant, les diagnostics par biocapteurs offrent une lueur d'espoir. Les chercheurs des Laboratoires fédéraux suisses pour la science et l'ingénierie des matériaux (Empa) ont mis au point des diagnostics innovants par biocapteurs capables d'identifier rapidement les agents pathogènes dangereux. Ces avancées visent à faciliter des réponses plus rapides, des traitements plus ciblés et, en fin de compte, à sauver des vies.

Qu'est-ce que la RAM et pourquoi nous concerne-t-elle tous ?

La RAM signifie « résistance aux antimicrobiens ». Elle désigne la capacité des micro-organismes (bactéries, virus, champignons et parasites) à évoluer et à devenir résistants aux médicaments qui étaient autrefois efficaces contre eux. Concrètement, cela signifie que les antibiotiques, les antiviraux et les antifongiques peuvent perdre leur efficacité.

Selon l'Organisation mondiale de la santé (OMS), la résistance aux antibiotiques est l'une des dix principales menaces pour la santé mondiale. Elle se propage de manière silencieuse mais constante, passant souvent inaperçue jusqu'à ce que les traitements standard échouent soudainement.

Ce problème croissant est souvent qualifié de « pandémie silencieuse », car lorsqu'il devient visible, il est parfois déjà trop tard pour certains patients.

Mais comment l'AMR se développe-t-elle au départ ?

Les bactéries, les virus, les champignons et les parasites s'adaptent au fil du temps et peuvent devenir résistants aux médicaments. Ce processus est considérablement accéléré par la surutilisation et l'utilisation abusive des antibiotiques, par exemple lorsqu'ils sont pris pour traiter des infections virales, contre lesquelles ils sont inefficaces.

Mais il ne s'agit pas seulement des médicaments : une mauvaise hygiène, l'absence de prévention des infections et un accès limité à l'eau potable contribuent également de manière significative à la propagation de la résistance.

Les conséquences ?

Les infections durent plus longtemps, deviennent plus graves et sont plus difficiles à traiter.
Les séjours à l'hôpital sont prolongés, les traitements deviennent plus coûteux.
Même les procédures de routine, telles que les interventions chirurgicales ou les traitements contre le cancer, comportent un risque plus élevé.

Ce qui était auparavant facile à traiter peut désormais mettre la vie en danger.

Une réalité alarmante : l'ampleur de la résistance aux antimicrobiens

La résistance aux antimicrobiens augmente rapidement dans le monde entier, en particulier pour les infections courantes telles que les infections urinaires, la diarrhée, la septicémie et les maladies sexuellement transmissibles. Mais l'arsenal médical s'affaiblit : de plus en plus de bactéries ne réagissent plus aux antibiotiques standard.

Un exemple frappant est celui de la ciprofloxacine, un antibiotique largement utilisé pour traiter les infections urinaires. Selon l'Organisation mondiale de la santé (OMS), les taux de résistance pour Escherichia coli varient de 8,4 % à 92,9 % dans le monde. Pour Klebsiella pneumoniae, les chiffres varient de 4,1 % à 79,4 %.

Ces statistiques alarmantes du programme GLASS (Global Antimicrobial Resistance and Use Surveillance System) sont un signal d'alarme clair : les traitements efficaces s'épuisent.

C'est pourquoi les chercheurs de l'Empa développent des outils de diagnostic basés sur des capteurs. Ces solutions innovantes permettent de détecter plus rapidement les agents pathogènes résistants, d'améliorer les décisions thérapeutiques et, en fin de compte, de ralentir la propagation de la résistance.

Les capteurs, un changement radical dans le diagnostic de la RAM

Les récentes innovations dans le domaine des biocapteurs, de la microfluidique et de l'amplification des acides nucléiques ont conduit à la mise au point de systèmes susceptibles de transformer les performances des tests de sensibilité aux antimicrobiens (AST). L'un de ces systèmes, développé par Genefluidics, utilise des biocapteurs électrochimiques pour mesurer la croissance bactérienne en détectant les molécules d'ARN ribosomique 16S.

Ce système intègre la nanotechnologie, la microfluidique et les systèmes microélectromécaniques en plastique, une méthode rapide et précise pour identifier les bactéries. D'autres exemples sont les technologies de capteurs développées par l'institut de recherche Empa, qui sont présentées plus en détail dans cet article.

En outre, les biocapteurs et les chimiosenseurs deviennent des outils importants pour la détection de la RAM en raison de leur simplicité, de leur faible coût et de leur capacité à effectuer des analyses en temps réel. Ces technologies comprennent différents types de capteurs - optiques, électrochimiques, mécaniques et thermiques - qui surveillent les changements physiques ou chimiques afin de détecter les agents pathogènes résistants. Ces progrès promettent des solutions plus rapides et plus rentables pour identifier la RAM, qui sont essentielles pour améliorer les soins aux patients et faire face à la crise croissante de la résistance.

Trois projets de recherche basés sur des capteurs menés par des chercheurs de l'Empa sont présentés dans les sections suivantes.

Capteurs émettant de la lumière pour la pneumonie

La pneumonie causée par des bactéries multirésistantes, en particulier Klebsiella pneumoniae, est un problème croissant dans les hôpitaux du monde entier. Giorgia Giovannini, chercheuse à l'Empa, travaille donc avec l'hôpital cantonal de Saint-Gall, le sixième plus grand hôpital de Suisse, pour développer un capteur luminescent capable de détecter cet agent pathogène. Le capteur cible l'uréase, une enzyme produite par Klebsiella pneumoniae.

Le capteur est basé sur un système polymère qui renferme un colorant fluorescent. Lorsque l'uréase de la bactérie décompose le polymère, le colorant est activé, ce qui provoque l'émission de lumière par le capteur. Cette fluorescence sert de signal pour indiquer la présence de la bactérie. L'un des principaux avantages de ce capteur est qu'il fournit des résultats beaucoup plus rapidement que les méthodes de laboratoire conventionnelles.

En analysant un échantillon de gorge ou d'expectoration, cette technologie permet de détecter une infection en quelques heures seulement, ce qui réduit considérablement le temps d'attente des résultats, qui prend normalement plusieurs jours. En identifiant plus rapidement les bactéries résistantes, les médecins peuvent mettre en place des traitements plus efficaces et mieux ciblés, ce qui améliore finalement les soins prodigués aux patients et réduit le risque de complications.

Pansements intelligents avec capteurs intégrés

Les plaies infectées provoquent non seulement des douleurs et des lésions tissulaires, mais constituent également un environnement favorable à la croissance et à la propagation de superbactéries résistantes aux antibiotiques. L'infection par le Staphylococcus aureus en est un exemple.

Selon un article médical de Tracey A. Taylor et Chandrashekhar G. Unakal publié sur StatPearls [Internet] dans la National Library of Medicine (NIH), le Staphylococcus aureus est l'une des bactéries les plus courantes responsables d'une variété d'infections cliniques telles que la gastro-entérite, les infections urinaires, l'ostéomyélite, la méningite, l'arthrite septique et bien d'autres encore. L'article indique que le traitement de ces infections est devenu de plus en plus difficile en raison de l'émergence de souches multirésistantes telles que le Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM).

Les chercheurs de l'Empa, dirigés par le Dr Luciano Boesel et le Dr Giorgia Giovannini, poursuivent donc le développement d'un pansement innovant équipé de capteurs intégrés permettant de détecter l'activité bactérienne en temps réel.

Ce pansement avancé intègre des nanoparticules de silice dans un hydrogel biocompatible. Ces nanoparticules sont spécialement conçues pour interagir avec certains métabolites bactériens produits lorsque les bactéries métabolisent les nutriments présents dans la plaie. Par exemple, lorsque des bactéries telles que le Staphylococcus aureus décomposent les antibiotiques présents dans l'environnement, les capteurs du pansement détectent les changements qui en résultent dans la composition chimique, notamment la production d'enzymes spécifiques telles que les bêta-lactamases qui rendent les antibiotiques courants inefficaces. Les capteurs déclenchent une fluorescence sous la lumière UV lorsque des marqueurs de résistance sont détectés.

Cela permet aux médecins d'évaluer l'état de l'infection et son profil de résistance sans avoir à attendre de longs tests en laboratoire. Ce diagnostic rapide sur place pourrait accélérer le processus de décision thérapeutique, réduire le risque de complications et permettre des soins plus personnalisés aux patients.

Nanoparticules magnétiques pour les infections urinaires

Pseudomonas aeruginosa, que l'on trouve fréquemment dans les établissements de santé, est une autre bactérie particulièrement difficile à traiter en raison de sa résistance aux antibiotiques. Cette bactérie provoque des infections urinaires.

Selon les Centres américains pour le contrôle et la prévention des maladies (CDC), certaines souches de Pseudomonas aeruginosa sont résistantes à presque tous les antibiotiques, y compris les carbapénèmes. Ces souches sont classées comme des variants multirésistants (MDR). Pseudomonas aeruginosa a causé environ 32 600 infections chez des patients hospitalisés aux États-Unis et a contribué à environ 2 700 décès en 2017.

Les chercheurs de l'Empa, en collaboration avec l'ETH Zurich, ont mis au point une nouvelle méthode permettant de détecter et d'identifier rapidement ces agents pathogènes résistants à l'aide de nanoparticules magnétiques. Le projet se concentre sur l'application de ces nanoparticules magnétiques, qui ciblent spécifiquement la bactérie Pseudomonas aeruginosa dans les échantillons d'urine. Dès que les nanoparticules adhèrent à la bactérie, les agents pathogènes sont séparés de l'échantillon à l'aide d'un champ magnétique.

L'équipe a également mis au point un test basé sur la chimiluminescence qui évalue la résistance des bactéries isolées aux antibiotiques. L'échantillon émet de la lumière lorsque des bactéries résistantes sont détectées. Cette méthode permet d'obtenir des résultats en seulement 30 minutes, ce qui constitue une amélioration significative par rapport aux méthodes de culture conventionnelles, qui peuvent prendre plusieurs jours pour fournir un résultat clair.