Réseaux aléatoires de nanoélectrodes utilisés comme plateforme de détection électrochimique et électrochimiluminescente pour le diagnostic

Ensembles of nanoelectrodes as electrochemical and electrochemiluminescence sensing platforms for molecular diagnostics

• Auteur / Autrice : Henok Baye Habtamu
• Direction : Neso Sojic, Paolo Ugo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electrochimie
• Date : Soutenance le 30/11/2015
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Università Ca' Foscari Venezia (Venise, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Moléculaires (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Francesco Paolucci
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédérique Deiss
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fethi Bedioui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transglutaminase

Électroluminescence

Marqueurs biologiques

Immunocapteurs

Biocapteurs

Diagnostic

Maladie coeliaque

Mots clés libres

Réseaux aléatoires de nanoélectrodes

Electrochemiluminescente

Biocapteurs

Maladie de coeliaque

Nanoelectrode ensembles

Celiac disease

Electrochemiluminescence

Biosensors

Résumé

Des réseaux aléatoires de nanoélectrodes ont été utilisés comme plateformes analytiques pour développer de nouveaux biocapteurs enzymatiques ou d’affinité. Dans ce travail de thèse, il s’est agi de préparer un biocapteur à glucose miniaturisé et des immunocapteurs électrochimiques et électrochimiluminescents (ECL) pour le diagnostic de la maladie de coeliaque. Dans un premier temps, un biocapteur enzymatique de seconde génération a été développé en exploitant les propriétés de réseaux aléatoires de nanoélectrodes. Ces réseaux ont été préparés par dépôt d’or au niveau de membranes "track-etched" de polycarbonate. Le capteur à glucose a été obtenu en immobilisant la glucose oxydase sur la surface de polycarbonate non-conductrice alors que les nanoélectrodes d’or sont exploitées comme transducteur. Le cation (ferrocènylmethyl)triméthylammonium a servi comme médiateur redox dans cette configuration expérimentale qui a conduit à une limite de détection de 36 μM pour le glucose.Dans un second temps, ce travail a porté sur l’élaboration d’outils de diagnostic pour la maladie de coeliaque. C’est une maladie auto-immune qui induit une concentration anormalement élevée de l’anticorps anti-transglutaminase (anti-tTg) dans le sang. Cette molécule anti-tTG est un biomarqueur adapté pour le diagnostic de cette pathologie. Les techniques de diagnostic actuelles souffrent d’une spécificité et d’une sensibilité insuffisantes. Pour améliorer ces aspects analytiques, deux types d’immunocapteurs ont été développés. Ils différent par la nature du signal, soit électrochimique soit ECL. La première étape commune est l’immobilisation, à la surface du polycarbonate entourant les nanoélectrodes, de la protéine tTG qui permet de capturer l’anticorps anti-tTg. Pour la détection électrochimique, un anticorps secondaire marqué par la peroxydase du raifort peut réagir avec un méditeur redox tel que l’hydroquinone et ainsi induire un signal électrochimique au niveau des nanoélectrodes. Pour le capteur ECL, la capture de l’anticorps cible anti-tTG permet de fixer ensuite un anticorps secondaire biotinylé qui se lie avec le luminophore, Ru(bpy)3+2, modifié par une streptavidine. L’imposition d’un potentiel suffisamment anodique au niveau des nanoélectrodes oxyde le co-réactif, la tri-n-propylamine, et génère ainsi des flux importants de radicaux qui diffusent et induisent l’émission ECL en réagissant avec le luminophore immobilisé. Cela conduit à une limite de détection de 0,5 ng.mL-1 qui est inférieure à celle obtenue par la voie électrochimique. Les 2 immunocapteurs ont été appliqués à l’analyse d’échantillons de sérum sanguins de patients et cela a permis de discriminer les échantillons des patients sains de ceux atteints de cette pathologie.

Nanoelectrode ensembles (NEES) are prepared, functionalized and tested to prepare enzymatic and affinity sensors suitable for advanced molecular diagnostics purposes, namely the development of a miniaturized glucose biosensor and the preparation of novel electrochemical and electrochemiluminescence immunosensors for celiac disease diagnostics.For the first goal, a second generation enzymatic microbiosensor was developed exploiting the properties of NEEs prepared by electroless gold deposition in track-etched polycarbonate (PC) membrane. The micro-NEE glucose biosensor (overall radius of 400 μm) was obtained by immobilizing glucose oxidase (GOx) on the nonconductive PC component of the NEE, while the Au nanoelectrodes were used exclusively as transducers. The (Ferrocenylmethyl)trimethylammonium cation (FA+) was used as the redox mediator. The proposed biosensor showed outstanding analytical performances with a detection limit of 36 μM for glucose.The second goal concerns celiac disease (CD) diagnostics. CD is an auto-immune disorder which reflects in abnormally high blood levels of the anti-tissue transglutaminase (anti-tTG) antibody, suitable as biomarker for CD diagnosis. Existing diagnostic techniques lack the desired level of sensitivity and specificity so that a confirmatory biopsy test is required. To overcome this limit, in this work electrochemical (EC) and electrogenerated chemiluminescence (ECL) immunosensors are proposed and studied. The two kinds of sensor employ the same biorecognition platform, based on tTG as biorecognition layer and NEEs as electrochemical transducers. EC and ECL sensors differ by the label used to develop the detection signal. By exploiting the high affinity of PC for proteins, the capture agent tTG is at first immobilized on the PC of the NEEs obtaining a tTG-NEEs which captures anti-tTG. For EC detection, the label is a secondary Ab labeled with horseradish peroxidase, using hydroquinone as redox mediator to generate the detection signal. For ECL, the sensor, after capturing anti-tTG, is reacted with a biotinylated secondary antibody to bind streptavidinatede Ru(bpy)3+2 luminophore. Application of an oxidizing potential in tripropylamine (TPrA) solution generates an intense ECL suitable for the sensitive ECL detection of anti-TG. Note that TPrA acts as redox mediator and ECL co-reactant. Both EC and ECL sensors are applied to human serum samples, showing to be suitable to discriminate between healthy and celiac patients. A comparison between the two approaches indicates that the lowest detection limit, namely 0.5 ng mL-1 of anti-TG, is achieved with the ECL immunosensor.