Microfluidique papier : de la physique des écoulements au diagnostic du virus Ebola en Guinée

Paper microfluidics : from liquid flow studies to Ebola virus diagnostics in Guinea

• Auteur / Autrice : Laura Magro
• Direction : Fabrice Monti, Patrick Tabeling
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique - Microfluidique
• Date : Soutenance le 19/10/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martine Ben Amar, Pierre Lafaye, Danièle Evain-Brion
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hugues Bodiguel, Yves Fouillet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diagnostic

Virus Ebola

Propriétés physico-chimiques

Papier

Microfluidique

Mots clés libres

Microfluidique papier

Concentration

Élution

NAAT

Ebola

RT-RPA

Paper microfluidics

NAAT

Ebola virus

Résumé

Les propriétés du papier - pompe capillaire, prix et disponibilité - lui permettent de répondre à tout type de contraintes logistiques et économiques d'un diagnostic médical de terrain. En amont de l'application, nous avons étudié les écoulements dans des géométries confinées par des barrières de cire. Une focalisation hydrodynamique associée à l'évaporation, crée un effet de concentrateur atteignant un facteur d'amplification de 1000. La continuité du diagnostic depuis le terrain jusqu'au laboratoire est assurée par des dispositifs hybrides papier-microsystèmes. Dans cette thèse, l'élution d'échantillons séchés dans le papier est quantifiée et sa compatibilité avec différentes fonctions microfluidiques démontrée. Nous nous sommes intéressés à deux applications de diagnostic : la détection d'un biomarqueur cardiaque par immunoessai et celle du virus Ebola par amplification d'acides nucléiques (RT-RPA). Avec un dispositif papier simple et une révélation colorimétrique, la troponine a été détectée jusqu'à une concentration de 1 ng/mL. Le diagnostic précoce de maladies infectieuses est rendu possible par la biologie moléculaire sur papier. Après des développements en laboratoires sur ARN synthétiques, des expériences réalisées en Guinée, sur des échantillons cliniques, à partir de papiers prêts à l'emploi, avec une instrumentation transportable ont atteint une sensibilité à 85.3%. Le multiplexage du diagnostic est obtenu dans des géométries multicouches par la réalisation simultanée de tests et contrôles. Enfin, l'application à d'autres pathogènes comme HIV et la Dengue, a montré les limites du papier et de son environnement biochimique non contrôlé.

Paper properties – such as capillary pump, affordability and availability – made it suitable for medical diagnostics in logistic and economic field constraints. Upstream of application, we studied liquid flows in wax-confined geometries. Hydrodynamic focus coupled to evaporation creates a concentrator effect reaching an amplification factor of 1000. Diagnosis continuity from the point of care to testing laboratory is insured thanks to hybrid paper-microsystem devices. In this thesis, the elution of dried samples in paper is quantified and its compatibility with various microfluidic functions demonstrated. We were interested in two diagnostics application: detection of a cardiac biomarker by immunoassay and of Ebola virus by nucleic acids amplification (RT-RPA). With simple paper devices and a colorimetric signal, Troponin has been detected until a concentration of 1 ng/mL. Early diagnostics of infectious diseases is made possible with molecular biology on paper. After laboratory preliminary developments on synthetic RNA strains, experiments performed in Guinea with clinical samples, from ready to use papers, with carry-on equipments achieved a sensitivity of 85.3%. Multiplexed diagnostics is obtained in multilayered geometries enabling simultaneous tests and controls. Finally, application to other pathogens, like HIV and Dengue, showed paper limits from its uncontrolled bio-chemical environment.