Optimisation d'un système portable de spectroscopie Raman et développement de protocoles expérimentaux pour la détection de biomarqueurs viraux dans les biofluides

La spectroscopie Raman est une technique prometteuse pour identifier des biomarqueurs spécifiques de maladies dans les biofluides, sans nécessiter de préparation complexe des échantillons. Dans ce contexte, le LUMEDLAB a développé un système de spectroscopie portable, rapide et précis ainsi que des modèles d’apprentissage automatique, ayant permis de valider ce résultat en détectant des biomarqueurs du COVID-19 dans la salive. Tout en continuant à améliorer ce système, l’objectif est de déterminer des biomarqueurs caractéristiques de maladies virales (COVID-19, RSV, Influenza) dans des échantillons sanguins. Mon travail a consisté à améliorer le système de spectroscopie pour le rendre mieux adapté aux besoins de diagnostic clinique, les développements auxquels j’ai contribué incluent la miniaturisation de composants, une approche innovante pour le contenant de l’échantillon, fondée sur l’élaboration d’un puits formé par une cassette creuse recouverte d’une feuille d’aluminium, et une nouvelle étape de calibration pour assurer la qualité du signal Raman. Ces améliorations techniques ont permis de maintenir la robustesse et la fiabilité du système tout en garantissant une haute résolution spectrale, essentielle pour l’identification de biomarqueurs moléculaires subtils. Afin de tester ce dispositif et valider le protocole expérimental, une étude a été menée sur un ensemble de 284 échantillons issus de 168 participants de la biobanque « Multi-virus », collectée au Centre Hospitalier Universitaire de Sainte-Justine (CHUSJ) auprès d’enfants présentant des infections virales, à savoir le COVID-19, RSV et Influenza. Cette étude de nature exploratoire a intégré l’ensemble des échantillons disponibles, simulant ainsi une situation réelle de dépistage avec une importante variété d'échantillons. Des différences spectrales ont été observées entre les échantillons positifs aux différents virus et les échantillons de contrôle, aussi bien qualitativement, par comparaison des spectres normalisés, que quantitativement par des analyses statistiques univariées. De plus, le facteur de l’âge, pour une population pédiatrique a été identifié comme responsable de différences spectrales notables entre les enfants de moins de 6 mois et ceux âgés de plus de 6 mois. Finalement, cette étude confirme la possibilité de détection de maladies virales dans le sang par spectroscopie Raman et valide l'objectif initial.

Abstract

Raman spectroscopy is emerging as a promising technique for identifying specific disease biomarkers in biofluids without requiring complex sample preparation. In this context, LUMEDLAB developed a portable, rapid, and precise spectroscopy system along with machine learning models that validated this capability by detecting COVID-19 biomarkers in saliva. While continuously enhancing this system, the current goal is to identify characteristic biomarkers of viral diseases (COVID-19, RSV, and Influenza) in blood samples. My work involved improving the spectroscopy system to better meet clinical diagnostic needs, with developments I contributed to, including component miniaturization, an innovative sample containment approach based on a well created within a hollow cassette covered by an aluminum sheet, and a new calibration step to ensure Raman signal quality. These technical improvements helped maintain the system’s robustness and reliability, while ensuring high spectral resolution, essential for identifying subtle molecular biomarkers. To test this device and validate the experimental protocol, a study was conducted on a set of 284 samples from 168 participants of the "Multi-virus" biobank, collected at the Sainte-Justine University Hospital Center (CHUSJ) from children with viral infections, specifically COVID-19, RSV, and Influenza. This exploratory study included all available samples, simulating a real screening scenario with a wide variety of samples. Spectral differences were observed between samples positive for the various viruses and control samples, both qualitatively, through comparison of normalized spectra, and quantitatively through univariate statistical analyses. Additionally, the age factor in a pediatric population was identified as responsible for notable spectral differences between children younger than 6 months and those older than 6 months. Ultimately, this study confirms the feasibility of detecting viral diseases in blood via Raman spectroscopy, validating the initial objective. Finally, the results underscore the potential of this technique for non-invasive diagnostics, offering a promising approach for rapid and efficient multi-virus screening. Eventually, this method could become a valuable clinical tool, enabling viral infection monitoring and facilitating prompt adjustments in care strategies.