Plate-forme non invasive de triage de la tuberculose et de cartographie des patients utilisant la respiration via un capteur à nanotubes de dioxyde de titane à faible coût

La tuberculose est une maladie infectieuse causée par diverses souches de mycobactéries. Il infecte généralement les poumons et se propage dans l'air lorsqu'un patient infecté éternue, tousse ou crache. Lorsque cela se produit, les bacilles de la tuberculose sont propulsés dans l'air sous forme de gouttelettes qui peuvent rester en suspension pendant de longues périodes. Un individu a simplement besoin d'inhaler une petite quantité de bacilles pour être infecté.

Les méthodes conventionnelles de détection et de diagnostic de la tuberculose sont traditionnellement réalisées dans des laboratoires ou des hôpitaux. Par exemple, la méthode la plus courante pour le diagnostic de la tuberculose est la coloration acido-résistante d'un échantillon d'expectoration qui est ensuite suivie d'un test de microscopie de frottis d'expectoration. Cependant, un inconvénient avec le test de frottis d'expectoration est sa faible sensibilité, qui est estimée à 70%. De plus, la sensibilité de la spectroscopie des frottis d'expectoration sur le terrain s'est avérée beaucoup plus faible (35 %), en particulier dans les populations qui ont des taux élevés de co-infection TB et VIH. La culture de mycobactéries à partir d'échantillons d'expectoration est une technique plus sensible. Des échantillons d'expectorations sont prélevés et cultivés dans des milieux solides ou liquides à la recherche de la présence de la mycobactérie. Cependant, cette méthodologie prend du temps à mettre en œuvre (3 à 4 semaines pour les cultures solides et 10 à 14 jours pour les cultures liquides), ce qui la rend difficile à utiliser dans les environnements à faibles ressources qui sont généralement éloignés des installations de test.

Récemment, d'autres technologies ont été développées, notamment la microscopie à fluorescence pour les tests de frottis (10 % plus sensible que la microscopie optique), la microscopie à fluorescence à LED pour un équipement d'imagerie peu coûteux pouvant être utilisé sur le terrain sans avoir besoin d'une chambre noire, et des techniques de culture rapide pour réduire durée d'incubation. Malgré toutes les améliorations apportées au diagnostic de la tuberculose, aucun test POC simple et peu coûteux n'est actuellement disponible. Les techniques mentionnées ci-dessus se concentrent soit sur des variations de la microscopie, soit sur la technique de culture. Dans les deux cas, ces méthodes nécessitent des installations de laboratoire et un personnel hautement qualifié qui ne sont généralement pas disponibles dans de nombreuses zones rurales ou à faibles ressources.

Des recherches récentes ont montré que diverses souches de mycobactéries produisent des biomarqueurs volatils gazeux distincts qui peuvent être utilisés comme méthodologie pour détecter et identifier la mycobactérie. Plus précisément, Syhre et Chambers ont découvert que les cultures de Mycobacterium tuberculosis et de Mycobacterium bovis dégagent quatre biomarqueurs organiques volatils (VOB) spécifiques : le phénylacétate de méthyle, le p-anisate de méthyle, le nicotinate de méthyle et l'o-phénylanisole. Ces composés étaient détectables avant l'apparition visuelle des colonies, ce qui pourrait avoir des implications dans la détection de l'infection tuberculeuse latente. Syhre et al. ont pu détecter des différences statistiquement significatives de nicotinate de méthyle dans l'haleine de patients TB à frottis positif par rapport à des sujets sains (à frottis négatif). Les analyses de ces études ont été effectuées à l'aide d'outils d'analyse par chromatographie en phase gazeuse/spectroscopie de masse. Bien qu'ils soient efficaces pour identifier et quantifier des échantillons de gaz complexes, ils sont coûteux, encombrants et ne conviennent pas aux diagnostics au point de service (POC).

Ces défis associés au diagnostic de la tuberculose sont importants car la tuberculose est la deuxième cause de décès due à un seul organisme infectieux et est responsable de 1,3 million de décès par an (plus de 3 500 par jour), selon l'OMS. Dans l'ensemble, on estime que 2 milliards de personnes sont actuellement infectées dans le monde, avec 8,6 millions de nouvelles infections actives chaque année.[8] Chacun de ces individus peut transmettre la maladie à 10 à 15 personnes par an et faire face à un taux de mortalité de 50% s'il n'est pas traité. Le fardeau économique de la tuberculose est stupéfiant, car la Banque mondiale estime que les pays à forte charge peuvent perdre jusqu'à 7 % de leur PIB en raison des pertes de productivité des patients atteints de tuberculose et de leurs soignants. Il est si critique que la Banque mondiale a engagé 100 millions de dollars pour le dépistage et le traitement de la tuberculose en Inde rien qu'en 2014.

Sur les 8,6 millions de nouveaux cas de tuberculose active qui surviennent chaque année, l'OMS estime qu'environ 3 millions de ces patients sont « manqués » et ne reçoivent pas le diagnostic ou les soins dont ils ont besoin. L'une des principales raisons de cet écart est les retards dans l'accès aux soins liés à la tuberculose ou les longs délais d'obtention des tests de diagnostic. En conséquence, le développement de nouveaux tests de dépistage à grande échelle (également connus sous le nom de tests de triage ou d'« élimination ») est particulièrement nécessaire en raison du fait que jusqu'à 80 % des personnes testées pour la tuberculose n'ont pas de maladie active, ce qui étend le champ limité et précieux ressources consacrées aux tests de diagnostic. En conséquence, FIND, un leader mondial dans l'orientation et la coordination de la recherche et du développement pour des maladies telles que la tuberculose, a classé le développement de nouveaux tests de dépistage parmi les 3 principales priorités dans la lutte contre la tuberculose.

Cette étude pilote sera menée pour déterminer si une méthodologie de détection nouvellement développée pour le dépistage de la tuberculose au POC basée sur des biomarqueurs volatils est réalisable grâce à l'utilisation d'un capteur à semi-conducteurs à faible coût utilisant des réseaux de nanotubes de TiO2 3D fonctionnalisés qui lient les biomarqueurs volatils. Si la sensibilité clinique est suffisante, cette technologie pourrait fournir un moyen d'identifier de nombreux patients tuberculeux "oubliés" et permettre de concentrer les ressources et les efforts de dépistage sur ceux qui courent le plus grand risque de contracter la maladie.

Auparavant, nous avons testé le profil respiratoire d'un petit nombre de patients de cliniques antituberculeuses locales et avons confirmé la présence de ces biomarqueurs dans leur haleine (IRB_0065207). Des études de patients plus importantes sont désormais nécessaires pour obtenir une estimation de la sensibilité et de la spécificité afin de déterminer le potentiel d'utilisation du capteur comme test de dépistage. Cette étude sera menée à Mumbai, en Inde, avec le système de capture électronique de données de recherche (REDCap) de l'université utilisé pour collecter et stocker en toute sécurité les données de cette étude.

Cette étude a été examinée et approuvée par le comité d'éthique pour la recherche sur des sujets humains et le comité consultatif scientifique du Mahatma Gandhi Mission Institute of Health Sciences.