Brevet FR2530029A1 — publié le 19840113

NEPHELOMETRE A LASER PERFECTIONNE POUR LA DETECTION DES ANTIGENES ET DES ANTICORPS. L'invention concerne un appareil perfectionné pour la détection de la présence d'antigènes ou d'an- ticorps et éventuellement le dosage de ceux-ci. Comme on le sait, un antigène est une substance capable de provoquer la formation d'anticorps et de réagir spécifiquement avec celui-ci Ce sont le plus souvent des protéines, des polyosides, des lipides ou des acides nucléiques Il existe plusieurs sortes d'antigènes les antigènes cellulaires qui caractérisent et classent l'individu qui les porte; - les antigènes parasitaires constitutifs du para- site ou sécrétés par celui-ci les antigènes bactériens supportés par les mem- branes, le corps des bactéries ou sécrétés par elles les antigènes des virus. L'introduction d'un antigène dans un organisme étranger à celui-ci stimule la production d'anticorps c'est la réaction immunitaire Les anticorps appartien- nent à la classe des globulines sériques et possèdent toutes les propriétés des protéines. Les molécules d'antigènes et d'anticorps présen- tent plusieurs sites actifs Lorsque-les solutions de ces produits sont de concentration adaptée, leur mélan- ge donne une floculation constituée d'un réseau dense de molécules d'antigènes et d'anticorps Si l'un des produits est en excès, la réaction n'est pas apparente. Le processus peut se compléter par l'addition sur le complexe d'une substance appelée complément Ce complément est un ensemble de plusieurs protéines sériques autres que l'albumine,réagissant successive- ment dans un ordre bien déterminé Le complément n'a pas de spécificité immunologique, mais il augmente le volume du complexe antigène-anticorps et le rend visible. -2- Ainsi, le mélange de solutions d'antigènes et d'anticorps correspondant, dans des proportions conve- nables, produit un complexe insoluble dans la plupart des cas et le milieu devient opalescent Les tests immunologiques de précipitation et de floculation sont ainsi basés sur la quantification de cette opales- cence. Actuellement, pour détecter la présence d'antigènes ou d'anticorps, une des méthodes utilise la néphélomé- trie (méthode dénommée également turbidimétrie), c'est- à-dire que l'on observe l'apparition d'un précipité. Dans une première méthode, on mélange les quantités diluées, puis on observe visuellement l'apparition du trouble (immunodiffusion, électrosynérèse, test de précipitation) Cette apparition ne s'effectue le plus souvent qu'au bout de vingt-quatre heures ou même plus, ce qui est trop long pour des dosages médicaux. Pour diminuer ce délai et les quantités en présen- ce, on a suggéré d'opérer sur un gel Si on raccourcit effectivement le délai de près de la moitié, ce temps est encore jugé beaucoup trop longe Depuis quelques années, on a proposé d'observer ces précipita- tions avec un néphélomètre à laser, c'est-à-dire un appareil à la 3 er grade auquel on observe la turbidité d'un liquide, c'est-à- dire sa teneur en particules d'un indice de réfraction différent. Cette technique repose essentiellement sur la diffusion de la lumière par les complexes antigènes- anticorps insolubles formés en milieu liquide L'inten- sité du faisceau de lumière diffusée est alors fonc- tion de la concentration de ces complexes. Les néphélomètres à laser étant bien connus, il n'y a donc pas lieu de les décrire ici en détail. Sommairement, toutefois, un néphélomètre à laser com- prend essentiellement: une source lumineuse constituée par un rayon laser destiné à émettre une lumière cohérente, mono- chromatique, parallèle et étroite; -3- une cellule de mesure o se trouve l'échantil- lon à tester,éventuellement placé dans un sy Stème d'avancement par rapport au rayon laser un détecteur photoélectrique recueillant la lumière diffusée sous un angle optimum, par exemple de 31,8 degrés, associé s'il y a lieu à un appareil photo-multiplicateur un organe fournissant les résultatssoit par mise en mémoire, soit par affichage direct sur un écran, soit sur une imprimante ou sur une table tra- çante. Bien que cet appareil soit largement répandu, il présente encore de nombreux inconvénients liés essentiellement à la cellule de mesure constituée actuellement par une cuve dont le volume est de l'ordre d'environ un cm Un tel volume présente en milieu médical de graves inconvénients car généralement, la quantité de liquide dont on dispose est au mieux de cet ordre de grandeur et en outre, par sécutité ou pour de multiples raisons, on doit effectuer plusieurs mesures, notamment pour se trouver'dans des conditions optimales de précipitation du complexe- formé Par ailleurs, dans cette méthode, on observe le début et la fin de la réaction, c'est-à-dire l'apparition de la précipitation totale, cequi nécessite encore quel- ques heuresmême' avec des agents accélérateurs de pré- cipitation. L'invention pallie ces inconvénients Elle concer- ne un appareil pour la détection, voire le dosage d'antigènes ou d'anticorps qui: d'une part, ne nécessite qu'une faible quantité de liquide et soit, de ce fait, compatible avec les exigences médicales, et d'autre part, permette de détecter beaucoup plus rapidement l'apparition du trouble caractéristique. Ce néphélomètre perfectionné à laser se caracté- rise en ce que la cellule de mesure est constituée -4- par un tube capillaire dont le diamètre interne est voisin du diamètre du rayon laser. Comme on le sait, un "tube capillaire" est un tube dans lequel, sans aspiration, monte un liquide (loi de Jurin). Ainsi, grâce à l'utilisation de ce tube capillaire, d'une part, on peut travailler avec des quantités très faibles de liquides et d'autre part et surtout, on peut observer le développement même de la réaction et non seulement le début et la fin de celle-ci comme c'était le cas jusqu'alors avec la cuve et enfin, il n'est pas utile d'ajouter des accélérateurs de précipitation. Le plus généralement, on opère dé-la manière sui- vante On introduit successivement par aspiration dans le tube capillaire des quantités de solutions d'antigè- nes et d'anticorps correspondants, de telle manière que la surfacé de séparation de ces deux solutions se trouve, lors de la mise en place du tube dans le néphélomètre, au niveau du faisceau laser Une fois les réactifs en présence, l'extrémité du capillaire est bouchée, par exemple àla cire, puis on place le tube dans le porte-échantillon du néphélomètre et enfin, on enregistre en fonction du temps le pourcentage de lumière diffusée, lequel croît avec la concentration des particules en suspension - Ainsi, contrairement à la méthode avec cuve, les deux liquides antigènesanticorps diffusent en sens inverse, comme dans la méthode d'immunodiffusion double et une floculation commence au voisinage de la zone de séparation. En outre, et là réside une des caractéristiques originales de l'invention, le capillaire grâcesà l'ef- fet de parois, facilite la précipitation et augmente la cinétique de réaction, ce que l'on ne pouvait pas obtenir avec une cuve. En pratique comme déjà dit, le diamètre interne du tube -5- capillaire doit':être voisin du diamètre du rayon laser, afin notamment de récupérer la plus grande partie de la lumière disponible, le diamètre interne de ce tube capillaire est compris entre 0,3 et 1,2 millimètre, et est de préfé- rence voisin de un millimètre; si on augmente ce dia- mètre, on augmente le volume de liquide, ce qui est sans intérêt et si on diminue ce diamètre, on diminue la longueur du trajet optique, donc la précision de la mesure les volumes de solutions utilisées sont de l'ordre de un à quinze microlitres W 2); le tube capillaire est en verre et présente une section cylindrique régulière ou en matière plastique transparen- te mouillable (non hydrophobe). Dans une première variante, le tube capillaire peut être remplacé par une cuve capillaire à faces parallèles, le faisceau laser étant dirigé entre les plaques et parallèle à celles-ci Toutefois, cette substitution est plus coûteuse, moins précise et moins commode à explorer. Dans une seconde variante, le tube capillaire droit peut être remplacé par un tube capillaire coudé en U, afin d'augmenter le trajet optique On augmente par ce moyen la sensibilité Le trajet du faisceau lumineux s'effectue dans la branche horizontale du U. Dans une autre forme de réalisation, l'appareil est équipé de moyens automatiques de pipetage, ce qui augmente considérablement le rendement de celui-ci. Dans une autre forme de réalisation, au lieu d'enregistrer en permanence toute la courbe, on se contente seulement d'enregistrer périodiquement des points précis, à intervalles réguliers, ce qui permet, dans le même temps, de traiter plusieurs liquides à la fois, en plaçant par exemple les tubes sur un tour- niquet ou sur des glissières Ainsi, on peut par exem- ple traiter plusieurs échantillons en 25 minutes. La manière dont l'invention peut être réalisée -6- et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent donnés à titre indicatif et non limitatif, à l'appui Ades figures an- nexées. La figure 1 représente schématiquement un néphé- lomètre laser équipé conformément à l'invention. La figure 2 est une vue en perspective sommaire de la cellule porte-échantillons de ce néphélomètre. En se référant aux figures, un néphélomètre à laser est constitué essentiellement par une source laser ( 1) associée à son générateur, d'o est issu un faisceau laser incident ( 2)-dont le diamètre est égal à celui du tube capillaire ( 3) placé dans le porte- échantillons ( 4) détaillé à la figure 2 Le rayon inci- dent ( 2) débouche dans le tube capillaire ( 3) sensible- ment au niveau de la zone de séparation ( 5) des compo- sés à étudier La lumière diffusée ( 6) passe ensuite à travers un diaphragme ( 7) puis est reçu par un organe photodétecteur associé à un appareil photomultiplica- teur ( 8) L'information reçue de cet organe est trans- mise à une mémoire ( 9) qui la restitue soit à un écran digital ( 10) soit à un appareil enregistreur ( 11), soit à une imprimante ( 12). La cellule ( 4) porte-échantillon ( 3) se compose essentiellement (voir figure 2) d'un blôC métallique ou plastique noir ( 10) percé d'un orifice longitudinal ( 11), destiné à recevoir le tube capillaire ( 3), percé dans le sens transversal et orthogonal, d'une fenêtre ( 12) pour le passage du rayon lumineux ( 2). Exemple 1 L'appareillage utilisé comporte essentiellement un générateur ( 1) source de rayon laser ( 2 > (hélium-néon), connu,stabilisé (variation des courants inférieurs à 5 %), associé à son stabilisateur de cou- rant; une chambre noire ( 4), la plus hermétique pos- sible, dans laquelle se trouvera positionné le tube 7- capillaire ( 3) dans son porte-échantillons ( 4) un détecteur photoélectronique ( 8)rtel qu'une cellule photoélectrique recueillant la lumière diffusée associée à son photomultiplicateur, cet ensemble étant connu une mémoire ( 9) une table traçante ou imprimante ( 12) ou un écran de visualisation type digital ( 10) destiné à lire les résultats. Dans cet exemple, on cherche à détecter dans un liquide céphalorachidien d'adulte la présence d'un anti- gène de pneumocoque. On met différents échantillons de ce prélèvement dans différents tubescapillaires de 0,8 mm de diamètre interne dans lesquels on aspire dix microlitres de ce liquide céphalorachidien; puis cinq microlitres d'anti- sérum pneumococcique de groupes. On bouche l'extrémité de ces tubes à la cire. On place ces tubes dans le porte-échantillons du né- phélomètre à laser et on met le porte-échantillons dans la chambre noire de lecture. L'appareil est mis sous tension et le rayon laser ( 2) de un millimètre de diamètre, du fait même de la construction, tombe juste à l'interface ( 5) entre-la solution d'antigènes et la solution d'anticorps. Sur le lecteur numérique ( 10) ou sur la table enre- gistreuse ( 12), on observe des variations Cela prouve qu'à l'interface ( 5), on est bien dans la zone de précipitation. On observe le déroulement de la courbe qui est plate lorsque la réaction est négative; ascendante lorsque la réaction est positive et spécifique. Ainsi, on en-déduit le couplage spécifique anti- gène-anticorps, c'est-à-dire la présence d'un antigène spécifique. La hauteur de-la courbe donne une indication 8- de la quantité d'antigènes et par là, permet un premier dosage. Exemple 2 Cet exemple concerne la recherche dans -les sérums humains d'un anticorps antistaphylococcique avec du staphygène (antigène extrait par méthode métabolique du staphylocoque doré). Après un temps de latence de deux à trois minutes, on constate que l'intensité-de lumière diffusée monte en plusieurs étapes si le sérum contient l'anticorps correspondant. La première-augmentation très rapide est suivie d'un palier de plusieurs minutes Une deuxième montée plus lente, mais plus importante apparaît ensuite et le phénomène se ralentit en fonction du temps Au bout de quinze minutes environ, on peutid+re siala&'réaction a eu lieu ou non, alors qu'à ce moment, aucun précipité n'est encore visible à l'oeil nu. Après plusieurs heures, l'intensité-de lumière diffusée diminue Le volume des particules augmente et un trouble apparait, puis on observe des floculats. Lorsque le sérum est décomplémenté par chauffage à 560 C, seule la première étape apparaît. Ainsi, cette méthode est très intéressante en milieu hospitalier pour-le dosage des antigènes dans le sérum humain En effet, la détection des antigènes qui sont présents avant que les symptômes visibles de la maladie apparaissent, permet un diagnostic rapide, donc un traitement plus efficace A titre indicatif, jusqu'à présent, cette détection nécessitait une grande quantité de sérum ou de liquide céphalorachi- dien. La substitution de la cuve connue jusqu'alors par un tube capillaire, n'était nullement évidente. En effet -'d'une part, le tube capillaire était connu depuis fort longtemps et en tout cas bien avant la -9- néphélométrie d'autre part et surtout, dans une cuve, la réac- tion s'effectue dans tout le volume de la cuve, ce qui permet de ne retenir que le début et la fin de la réac- tion; en revanche, dans un tube capillaire, comme la section est faible, on peut observer l'évolution de la réaction; comme déjà dit, l'effet de parois facilite la précipitation et augmente la cinétique de réaction, ce qui diminue considérablement le temps de mesure (de l'ordre de vingt à trente minutes); enfin, le tube capillaire doit présenter des caractéristiques précises, à savoir un diamètre interne voisin de celui du rayon laser. L'appareil selon l'invention présente de nombreux avantages On peut citer: la rapidité de la mesure (de l'ordre de vingt à trente minutes au lieu de plusieurs heures par les méthodes usuelles); l'utilisation de très faibles quantités de liquide (microméthode), ce qui est de plus en plus recherché et même exigé en milieu médical; la possibilité d'observer le phénomène avant même son apparition à l'oeil nu et pendant même son déroulement; la possibilité d'analyser la courbe et d'avoir une indication du dosage des antigènes ou des anti- corps détectés la possibilité de détecter des antigènes même chez les malades sous antibiotiques; la possibilité d'automatiser la mesure la possibilité de travailler avec n'importe quelle source de rayon laser; la possibilité de jeter les tubes capillaires. De la sorte, cet appareil peut être utilisé avec succès pour toute recherche d'antigènes ou d'anticorps dans des liquides clairs ou clarifiés A titre d'exemple, - on peut citer des dosages d'antibiotiques la mise en évidence d'antigènes ou d'anticorps la recherche des antigènes circulants. On peut utiliser cet appareil essentiellement en milieu médical, mais également pour la détection des fraudes alimentaires. 11 - REVENDICATIONS 1/ Néphélomètre perfectionné à laser, caractérisé en ce que la cellule de mesure est constituée par un tube capillaire ( 3) dont le diamètre interne est voisin du diamètre du rayon laser ( 2). 2/ Néphélomètre selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la zone de séparation ( 5) de la solu- tion d'antigènes et d'anticorps se trouve, lors de la mise en place du tube capillaire ( 3) dans le néphélo- mètre, au niveau du rayon laser ( 2). 3/ Néphélomètre selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le diamètre interne du tube capillaire ( 3) est compris entre 0,5 et 1,2 mil- limètre. 4/ Néphélomètre selon revendication 3, caractérisé en ce que le diamètre interne du tube capillaire ( 3) est voisin de un millimètre. / Néphélomètre selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le volume de chacun des réactifs utilisés est de l'ordre de 1 à 15 microlitres. 6/ Néphélomètre selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le tube capillaire ( 3) est en verre calibré. 7/ Néphélomètre selon la revendication 6, caracté- risé en ce que le tube capillaire ( 3) est un tube cali- bré en matière plastique non hydrophobe, 8/ Néphélomètre selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le tube capillaire ( 3) est un tube cylindrique droit, à section régulière. 9/ Néphélomètre selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le-tube capillaire ( 3) est coudé et présente la forme d'un U - DEPOSANTS: CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (CNRS) et INSTIIUT PASTEUR DE LYON ET DU SUD-EST MANDATAIRE: Cabinet Michel LAURENT