Des scientifiques de l'Université technologique de Nanyang à Singapour ont inventé un objet de la taille d'une pièce de monnaie.

Des scientifiques de l'Université technologique de Nanyang, à Singapour, ont développé une puce de la taille d'une pièce de monnaie nommée ExoArc, capable d'isoler le plasma sanguin en seulement 30 minutes, ce qui la rend plus pratique et conviviale que le processus actuel de centrifugation en plusieurs étapes. ExoArc atteint une pureté plasmatique élevée en éliminant plus de 99,9 % des cellules sanguines et des plaquettes, permettant ainsi une analyse clinique rapide de l'ADN acellulaire, de l'ARN et des vésicules extracellulaires pour le criblage de biomarqueurs. Validé cliniquement, ExoArc a diagnostiqué avec précision le cancer du poumon non à petites cellules avec une sensibilité de 90 % et a des applications potentielles en médecine de précision pour les maladies métaboliques chroniques comme le diabète.

Scientists at Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), have developed a coin-sized chip that can directly isolate blood plasma from a tube of blood in just 30 minutes, which is more convenient and user-friendly as compared to the current gold standard, multi-step centrifugation process.

Des scientifiques de l'Université technologique de Nanyang à Singapour (NTU Singapour) ont développé une puce de la taille d'une pièce de monnaie capable d'isoler directement le plasma sanguin d'un tube de sang en seulement 30 minutes, ce qui est plus pratique et plus convivial que l'étalon-or actuel. , processus de centrifugation en plusieurs étapes.

Named ExoArc, in just one step, it can achieve high blood plasma purity by removing more than 99.9 per cent of blood cells and platelets precisely and gently.

Nommé ExoArc, il permet en une seule étape d'atteindre une pureté élevée du plasma sanguin en éliminant plus de 99,9 % des cellules sanguines et des plaquettes avec précision et douceur.

This will greatly speed up clinical analysis of the cell-free DNA and RNA molecules, as well as nanoparticles commonly known as extracellular vesicles. These particles are often used to screen for biomarkers that are tell-tale signs specific to certain cancers and diseases.

Cela accélérera considérablement l’analyse clinique des molécules d’ADN et d’ARN acellulaires, ainsi que des nanoparticules communément appelées vésicules extracellulaires. Ces particules sont souvent utilisées pour dépister des biomarqueurs qui sont des signes révélateurs spécifiques à certains cancers et maladies.

Currently, the only way to isolate blood plasma is through using a centrifuge, which spins blood samples at high speeds, separating the blood cells from the plasma.

Actuellement, la seule façon d’isoler le plasma sanguin consiste à utiliser une centrifugeuse, qui fait tourner les échantillons de sang à grande vitesse, séparant ainsi les cellules sanguines du plasma.

However, even after two rounds of spinning in the centrifuge, there will still be some cells and platelets present in the blood plasma which can break down or degrade, releasing additional bio-content, thus leading to unwanted materials that affect the accuracy of diagnostic tests.

Cependant, même après deux cycles d'essorage dans la centrifugeuse, certaines cellules et plaquettes présentes dans le plasma sanguin peuvent encore se décomposer ou se dégrader, libérant ainsi du contenu biologique supplémentaire, conduisant ainsi à des matières indésirables qui affectent la précision des tests de diagnostic. .

As a proof-of-concept, the team built a portable prototype device (measuring 30cm x 20cm x 30cm) to house the ExoArc chip (3.5cm x 2.5cm x 0.3cm), which has a large touch-screen interface to adjust settings, as well as internal pumps and pipings for the processing of blood samples and collection of the isolated blood plasma.

En guise de preuve de concept, l'équipe a construit un prototype portable (mesurant 30 cm x 20 cm x 30 cm) pour abriter la puce ExoArc (3,5 cm x 2,5 cm x 0,3 cm), doté d'une grande interface à écran tactile pour ajuster les paramètres. , ainsi que des pompes et des tuyauteries internes pour le traitement des échantillons de sang et la collecte du plasma sanguin isolé.

Together with clinician-scientists from National Cancer Centre Singapore (NCCS), Tan Tock Seng Hospital (TTSH), and the Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), the team clinically validated ExoArc by analysing the microRNA profile of blood plasma in healthy people and cancer patients using a biomarker panel and found it was able to diagnose non-small cell lung cancer with a sensitivity of 90 per cent.

En collaboration avec des cliniciens-chercheurs du National Cancer Center Singapore (NCCS), de l'hôpital Tan Tock Seng (TTSH) et de l'Agence pour la science, la technologie et la recherche (A*STAR), l'équipe a validé cliniquement ExoArc en analysant le profil microARN du plasma sanguin. chez des personnes en bonne santé et des patients atteints de cancer à l'aide d'un panel de biomarqueurs et a découvert qu'il était capable de diagnostiquer le cancer du poumon non à petites cellules avec une sensibilité de 90 pour cent.

As an innovation, ExoArc currently has two patent applications filed through NTUitive, NTU’s innovation and enterprise company and its study findings have been published recently in ACS Nano[1], a journal under the American Chemical Society.

En tant qu'innovation, ExoArc a actuellement deux demandes de brevet déposées auprès de NTUitive, la société d'innovation et d'entreprise de NTU, et les résultats de son étude ont été récemment publiés dans ACS Nano[1], une revue de l'American Chemical Society.

Lead scientist of the study, NTU Associate Professor Hou Han Wei, said the team aimed to find a quicker solution that could replace the centrifuge, while still yielding high-quality plasma for disease screening and research.

Le scientifique principal de l'étude, le professeur agrégé de NTU Hou Han Wei, a déclaré que l'équipe visait à trouver une solution plus rapide qui pourrait remplacer la centrifugeuse, tout en produisant du plasma de haute qualité pour le dépistage et la recherche de maladies.

“It has been nearly 160 years since the invention of the first centrifuge and about 50 years since modern high-speed centrifuges became a standard tool in laboratories [2]for preparing blood samples. Despite these advancements, separating complex liquids like blood, which comprises various cell types and a diverse range of biological materials, remains a challenge,” explained Assoc Prof Hou, a biomedical engineer from the School of Mechanical and Aerospace Engineering and Lee Kong Chian School of Medicine (LKCMedicine).

« Cela fait près de 160 ans depuis l’invention de la première centrifugeuse et environ 50 ans depuis que les centrifugeuses modernes à grande vitesse sont devenues un outil standard dans les laboratoires [2] pour préparer des échantillons de sang. Malgré ces progrès, la séparation de liquides complexes comme le sang, qui comprend différents types de cellules et une large gamme de matériaux biologiques, reste un défi », a expliqué le professeur Assoc Hou, ingénieur biomédical de l'École de génie mécanique et aérospatial et de l'École de Lee Kong Chian. Médecine (LKCMédecine).

"By leveraging unique flow phenomenon in tiny channels in a chip that is about the size of a dollar coin, we can now efficiently separate small biological materials based on their size without using any physical membrane or filters. We have transformed this breakthrough technology into a device about size of a small desktop printer, featuring disposable plastic chips to prevent cross-contamination in clinical testing."

"En exploitant un phénomène d'écoulement unique dans de minuscules canaux dans une puce de la taille d'une pièce d'un dollar, nous pouvons désormais séparer efficacement les petits matériaux biologiques en fonction de leur taille sans utiliser de membrane physique ou de filtre. Nous avons transformé cette technologie révolutionnaire en un appareil de la taille d'une petite imprimante de bureau, doté de puces en plastique jetables pour éviter la contamination croisée lors des tests cliniques.

Co-author of the paper, Professor Darren Lim, Senior Consultant in the Division of Medical Oncology at NCCS and Director of Research at the SingHealth Duke-NUS Lung Centre, explained the importance of high-quality blood plasma.

Co-auteur de l'article, le professeur Darren Lim, consultant principal à la Division d'oncologie médicale du NCCS et directeur de recherche au SingHealth Duke-NUS Lung Centre, a expliqué l'importance d'un plasma sanguin de haute qualité.

"Reducing contamination from degraded blood cells is crucial for the accuracy of diagnostic tests. Our study shows that this device allows quicker and more precise clinical diagnoses, significantly decreasing the waiting time for test results, reducing patients’ anxiety and ultimately improving their overall care. This is particularly significant for cancer treatment," said Prof Lim.

"La réduction de la contamination par les cellules sanguines dégradées est cruciale pour l'exactitude des tests de diagnostic. Notre étude montre que cet appareil permet des diagnostics cliniques plus rapides et plus précis, réduisant considérablement le temps d'attente pour les résultats des tests, réduisant l'anxiété des patients et améliorant finalement leurs soins globaux. Ceci est particulièrement important pour le traitement du cancer", a déclaré le professeur Lim.

In another demonstration of its broad application, the team used ExoArc to study microRNA molecules from blood plasma samples from healthy individuals and those with type 2 diabetes mellitus using quantitative polymerase chain reaction (PCR).            

Dans une autre démonstration de sa vaste application, l’équipe a utilisé ExoArc pour étudier des molécules de microARN provenant d’échantillons de plasma sanguin provenant d’individus en bonne santé et de personnes atteintes de diabète sucré de type 2, à l’aide d’une réaction en chaîne par polymérase quantitative (PCR).

From just one tube of blood, they identified 293 different microRNA molecules. The research team also found that the microRNA profile from plasmas and extracellular vesicles from individuals with type 2 diabetes had a different composition as compared to healthy participants. This suggests the potential of ExoArc in helping to isolate and identify disease-related biomarkers.

À partir d’un seul tube de sang, ils ont identifié 293 molécules de microARN différentes. L’équipe de recherche a également découvert que le profil des microARN des plasmas et des vésicules extracellulaires des personnes atteintes de diabète de type 2 avait une composition différente de celle des participants en bonne santé. Cela suggère le potentiel d’ExoArc pour aider à isoler et identifier les biomarqueurs liés à la maladie.

Associate Professor Rinkoo Dalan, Senior Consultant specialising in diabetes and endocrinology at Tan Tock Seng Hospital, said the initial results are promising and show the potential of ExoArc being able to help drive precision medicine.

Le professeur agrégé Rinkoo Dalan, consultant principal spécialisé dans le diabète et l'endocrinologie à l'hôpital Tan Tock Seng, a déclaré que les premiers résultats sont prometteurs et montrent le potentiel d'ExoArc en matière de capacité à contribuer à la médecine de précision.

“This technology can help clinicians better predict and manage complications of chronic metabolic conditions like diabetes, by providing more accurate, timely, and individualised information. By detecting specific biomarkers accurately, we can tailor treatments to the unique needs of each patient, potentially improving outcomes and enhancing the quality of care,” said Assoc Prof Dalan, who is also a teaching faculty at LKCmedicine.

« Cette technologie peut aider les cliniciens à mieux prédire et gérer les complications de maladies métaboliques chroniques comme le diabète, en fournissant des informations plus précises, plus rapides et plus individualisées. En détectant avec précision des biomarqueurs spécifiques, nous pouvons adapter les traitements aux besoins uniques de chaque patient, améliorant potentiellement les résultats et la qualité des soins », a déclaré le professeur associé Dalan, qui est également professeur à LKCmedicine.

ExoArc vs conventional centrifuge

ExoArc vs centrifugeuse conventionnelle

The current gold-standard method of isolating blood plasma relies on centrifuges, which is not foolproof and is highly dependent on the skill of the technicians who manually extract the plasma after each spin.

La méthode de référence actuelle pour isoler le plasma sanguin repose sur des centrifugeuses, qui ne sont pas infaillibles et dépendent fortement de la compétence des techniciens qui extraient manuellement le plasma après chaque rotation.

Even after two centrifugation rounds, which can take up to an hour, residual biological cells can remain in the plasma, potentially contaminating RNA tests and leading to inaccurate results.

Même après deux cycles de centrifugation, qui peuvent prendre jusqu'à une heure, des cellules biologiques résiduelles peuvent rester dans le plasma, contaminant potentiellement les tests ARN et conduisant à des résultats inexacts.

One of the key reasons is that blood tests are time-sensitive, requiring processing within a day or even a few hours to prevent the rapid degradation of biological material from cells. This breakdown introduces additional DNA, RNA or vesicles into the plasma, which can distort test outcomes.

L’une des principales raisons est que les analyses de sang sont sensibles au facteur temps et nécessitent un traitement dans un délai d’une journée, voire de quelques heures, pour éviter la dégradation rapide du matériel biologique des cellules. Cette dégradation introduit de l'ADN, de l'ARN ou des vésicules supplémentaires dans le plasma, ce qui peut fausser les résultats des tests.

Laboratories typically wait to accumulate multiple blood samples before using the centrifuge, extending the isolation process by several hours. This delay combined with the extended duration of centrifugation and operator variability, sometimes makes it challenging to compare scientific findings between different research labs.

Les laboratoires attendent généralement d’accumuler plusieurs échantillons de sang avant d’utiliser la centrifugeuse, prolongeant ainsi le processus d’isolement de plusieurs heures. Ce retard, combiné à la durée prolongée de la centrifugation et à la variabilité des opérateurs, rend parfois difficile la comparaison des résultats scientifiques entre différents laboratoires de recherche.

Unlike the centrifuge machine which usually process multiple tubes of blood samples, ExoArc technology can be scaled up by designing multiple channels to simultaneously isolate blood plasma as and when blood samples are received in clinics or hospitals in a faster and more consistent manner.

Contrairement à la centrifugeuse qui traite habituellement plusieurs tubes d'échantillons de sang, la technologie ExoArc peut être étendue en concevant plusieurs canaux pour isoler simultanément le plasma sanguin au fur et à mesure que les échantillons de sang sont reçus dans les cliniques ou les hôpitaux, de manière plus rapide et plus cohérente.

In future, this process could be automated into a one-step process, which would significantly reduce the time needed to prepare samples for testing and will streamline the diagnostic process, potentially helping to reduce overall cost. By adjusting the size-cutoff, this platform technology can also be used to isolate bacteria or viruses from blood or other biofluids.

À l’avenir, ce processus pourrait être automatisé en une seule étape, ce qui réduirait considérablement le temps nécessaire à la préparation des échantillons pour les tests et rationaliserait le processus de diagnostic, contribuant ainsi potentiellement à réduire le coût global. En ajustant la taille limite, cette technologie de plate-forme peut également être utilisée pour isoler des bactéries ou des virus du sang ou d’autres biofluides.

The development of ExoArc is backed by a Proof-of-Concept and Proof-of-Value grant from the NTUitive Gap Fund, under the NTU Innovation and Entrepreneurship initiative. This initiative seeks to turn research into practical innovations that address societal challenges, like an ageing population, and generate significant economic benefits for Singapore.

Le développement d'ExoArc est soutenu par une subvention de preuve de concept et de preuve de valeur du NTUitive Gap Fund, dans le cadre de l'initiative NTU Innovation and Entrepreneurship. Cette initiative vise à transformer la recherche en innovations pratiques qui répondent aux défis sociétaux, comme le vieillissement de la population, et génèrent des avantages économiques significatifs pour Singapour.

The study also included contributions from scientists at the Massachusetts Institute of Technology and the University of Texas Medical Branch (Galveston).

L'étude comprenait également des contributions de scientifiques du Massachusetts Institute of Technology et de la branche médicale de l'Université du Texas (Galveston).

[1] ACS Nano 2024, 18, 8, 6623–6637, Publication Date: February 13, 2024,

[1] ACS Nano 2024, 18, 8, 6623-6637, date de publication : 13 février 2024,

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12862

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12862

[2] Marshall Scientific. (n.d.). The history of the centrifuge. Retrieved from https://www.marshallscientific.com/the_history_of_the_centrifuge_a/349.htm

[2] Marshall scientifique. (s.d.). L'histoire de la centrifugeuse. Récupéré de https://www.marshallscientific.com/the_history_of_the_centrifuge_a/349.htm