Développement de biocapteurs pour le diagnostic portable d’antibiotiques et de HER2

Abstract

Présentement, le milieu hospitalier utilise des tests analytiques demandant de longues périodes d’analyses et nécessitant plusieurs spécialistes en chimie ou biochimie. En plus de ralentir le traitement des patients et leur guérison, cela accroît considérablement les dépenses des hôpitaux. Il est ainsi essentiel que la recherche se penche sur le développement de nouvelles techniques d’analyse plus rapides, plus simples et tout aussi sensibles que celles employées en ce moment. Les biocapteurs ont le potentiel de remplir ces critères et s’inscrivent donc comme des candidats sérieux quant à l’amélioration des techniques analytiques en milieu hospitalier. Cette technologie peut devenir accessible au grand public en plus d’être rapide, portative et précise. Ainsi, dans le cadre de ce mémoire, divers biocapteurs innovateurs de diagnostic portable développés pour la détection de biomolécules seront présentés.

Étant donné le fléau mondial de la résistance bactérienne développée envers plusieurs des antibiotiques existants, le développement de biocapteurs pour ces molécules fût priorisé. De plus, le traitement par antibiotiques nécessite un suivi très minutieux afin de s’assurer que les concentrations sanguines n’excèdent pas l’étroite gamme thérapeutique que possèdent ces médicaments puisque de sévères effets secondaires peuvent en découler. En premier lieu, les aminoglycosides furent analysés à l’aide d’un essai compétitif réalisé par spectroscopie de résonance des plasmons de surface. Ainsi, les aminoglycosides entrent en compétition pour se lier au récepteur protéique du biocapteur avec des analogues de pyrrolo-[1,5-a]pyrazine actifs fonctionnalisés à des nanoparticules d’or. Secondement, un biocapteur de fluorescence fût construit afin de quantifier la vancomycine dans le cadre de la compétition internationale SensUs. L’équipe BiosensUM dont j’ai été la cheffe de projet a développé un essai compétitif où la vancomycine de l’échantillon et la vancomycine marquée par l’isothiocyanate de fluorescéine sont en compétition pour le site de liaison de l’anticorps monoclonal anti-vancomycine. Cet essai se déroule à l’intérieur d’une cellule qui s’insère dans l’appareil de fluorimétrie. Une application mobile permet, par la suite, d’obtenir les résultats.

Finalement, un instrument hybride de spectroscopie de résonance des plasmons de surface et d’électrochimiluminescence fût construit en collaboration avec le laboratoire du Dr. Polo de l’Institut National de Cancérologie (CRO) Aviano en Italie. Un biocapteur couplant ces deux techniques fût ensuite développé pour un biomarqueur du cancer du sein, le domaine extracellulaire de la protéine transmembranaire HER2.

In hospitals, analytical tests requiring long analysis and qualified personnel are currently used. This situation is considerably slowing down the treatment and the recovery of patients and increasing hospital expenses. Therefore, it is essential that researchers focus on the development of new analytical techniques that are faster, simpler and as sensitive as current methods. It is in this context that biosensors are the perfect candidates to improve technologies in the healthcare system. Biosensors can be fast, precise and portable devices that can be easily used by the public. Thus, as part of this masters’ thesis, innovative point-of-care biosensors for biomolecules will be presented.

The development of biosensors for antibiotics was prioritized because of the global healthcare problem of the bacterial resistance developed toward these molecules. In addition, antibiotic treatment requires close monitoring to ensure the dose is within the narrow therapeutic range, to avoid severe side effects or underdosing. As a first example, aminoglycosides were analyzed using a surface plasmon resonance competitive assay. Thus, aminoglycosides competed with active pyrrolo-[1,5-a]pyrazine analogs functionalized on gold nanoparticles to bind the protein receptor on the biosensor. Secondly, a fluorescence biosensor was built to monitor vancomycin for the SensUs Competition. The BiosensUM team, for which I was the leader, has developed a competitive assay where sample vancomycin and fluorescein isothiocyanate-labeled vancomycin compete to bind the anti-vancomycin antibodies on the surface. This test occurred in a microfluidic chip placed in a custom-made fluorimeter. A mobile application was used to extract the results.

Finally, an instrument combining surface plasmon resonance and electrochemiluminescence was built in collaboration with Dr. Polo from the National Cancer Institute (CRO) Aviano in Italy. A biosensor coupling these two techniques was developed to monitor a biomarker of breast cancer, the extracellular domain of the HER2 transmembrane protein.