Nanoparticules métalliques enrobées de polymère : une plateforme multifonctionnelle pour application aux biocapteurs électrochimiques.

Metallic nanoparticles with polymeric shell : a multifunctional platform for application to biosensors

• Auteur / Autrice : Xolani Terrance Ngema
• Direction : Pierre-Henri Aubert, Philippe Banet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Cergy
• Date : Soutenance le 30/03/2018
• Etablissement(s) : Cergy-Pontoise en cotutelle avec University of the Western Cape
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physico-chimie des polymères et des interfaces (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Henri Aubert, Philippe Banet, Fethi Bedioui, Guillaume Herlem, Nicole Jaffrezic-Renault, Priscilla Baker, Fanelwa Ajayi, Alain Pailleret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fethi Bedioui, Guillaume Herlem

Mots clés

Mots clés libres

Nanoparticules métalliques

Biocapteur électrochimique

Polymères conducteurs

Stockage de l'énergie

Metallic nanoparticles

Electrochemical biosensors

Conducting polymer

Energy storage

Résumé

La tuberculose (TB) est une maladie transmise par l'air causée par Mycobacterium tuberculosis (MTB) qui affecte habituellement les poumons, entraînant une toux sévère, de la fièvre et des douleurs thoraciques. En 2015, il a été estimé que plus de 9,6 millions de personnes dans le monde ont développé la tuberculose et que 1,5 millions sont morts de la maladie infectieuse dont 12% étaient co-infectés par le virus de l'immunodéficience humaine (VIH). En 2016, les statistiques ont atteint un total de 1,7 million de personnes décédées de la tuberculose avec environ 10,4 millions de nouveaux cas de TB diagnostiqués dans le monde. Le développement de systèmes de mesures rapides et fiables, ultra-sensibles, bon marché et facilement disponibles est essentiel pour lutter contre la tuberculose (TB) et la tuberculose multirésistante. Ce travail est une étude sur la faisabilité d'une part d'immunocapteurs électrochimique utilisant un antigène spécifique de Mycobacterium tuberculosis Ag85B pour détecter la tuberculose et d'autre part de biocapteurs utilisant l'enzyme cytochrome P450-2E1 (CYP2E1) pour détecter les médicaments antituberculeux dans le sérum ou l’eau.L'immunocapteur a été développé en adoptant la méthode ELISA indirecte qui a été utilisée pour la détection des anticorps IgG dans les tests ELISA IgG contre la tuberculose. Il a été réalisé en électrodéposant par voltamétrie cyclique (CV) d’abord de l'acide polyamique (PAA) sur une électrode de carbone vitreux (GCE) puis des antigènes recombinants de Mycobacterium tuberculosis Ag85B (Ag). Les électrodes modifiées ont été caractérisées par CV et SWV. Le profil de réponse de l'immunocapteur à des anticorps de Mycobacterium tuberculosis a été étudié par SWV et la réponse linéaire était dans une gamme de 0,3 à 1,6 mg / mL avec une limite de détection (LOD) de 0,08 mg / mL.D'autre part, deux plates-formes pour le développement de biocapteurs pour la détection de médicaments antituberculeux, l'éthambutol (ETH) et la rifampicine (RIF), ont également été préparées. L’une était un composite PAA/AgNPs (nanoparticules d’argent) déposé par goutte sur GCE pour former une plate-forme GCE/PAA/AgNPs. Alors que l'autre plate-forme (GCE/PPy/AgNPs) a été formée par électrodéposition de pyrrole en présence de nanoparticules d'argent (PPy + AgNPs) sur GCE en utilisant la chronopotentiométrie. Les plateformes GCE/PAA/AgNPs et GCE/PPy/AgNPs ont ensuite été caractérisées en utilisant la voltamétrie cyclique alors que leurs morphologies l’ont été par microscopie à force atomique (AFM) et microscopie électronique à balayage (MEB). L'immobilisation de l'enzyme cytochrome P450-2E1 (CYP2E1) sur les deux plates-formes a été réalisée par dépôt de gouttes. L'efficacité des biocapteurs GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 et GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 pour la détection de ETH et de RIF a été étudiée par DPV. Le biocapteur GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 a été capable de détecter les médicaments antituberculeux à leur concentration sérique maximale (2 à 6 μg/mL). Alors que le biocapteur GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 était capable de détecter l'ETH à des concentrations inférieures au taux sérique (2,5 ng/mL à 12,5 ng/mL). Par conséquent, le biocapteur GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 a la capacité de détecter ETH même à l'état de traces dans les systèmes aqueux. Ainsi, le biocapteur GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 a une limite inférieure de détection de l'ETH (0,75 ng/mL) par rapport au biocapteur GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 (1,3 µg/mL). La sensibilité du biocapteur GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 pour l'ETH était de 5 µA/ng.mL-1 alors que celle du biocapteur GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 était de 2,6 µA/µg.mL-1. Le biocapteur GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 était le seul biocapteur capable de détecter le RIF avec une limite de détection de 7,5 µg/mL. Le biocapteur GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 convient à la détection de l'ETH et du RIF aux taux sériques et aux systèmes aqueux. Alors que le GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 ne convient que pour la détection des médicaments antituberculeux à des niveaux traces dans l'eau.

Tuberculosis (TB) is an airborne disease caused by Mycobacterium tuberculosis (MTB) that usually affects the lungs leading to severe coughing, fever and chest pains. In 2015 it was estimated that over 9.6 million people worldwide developed TB and 1.5 million died from the infectious disease of which 12 % were co-infected with human immunodeficiency virus (HIV). In 2016 the statistics increased to a total of 1.7 million people died from TB with an estimated 10.4 million new cases of TB diagnosed worldwide. The development of the fast and reliable point-of-care systems that are ultra-sensitive, cheap and readily available is essential in order to address and control the spread of the tuberculosis (TB) disease and multidrug-resistant tuberculosis. This work is the feasibly study on one part on the development of electrochemical immunosensor using a specific Mycobacterium tuberculosis Ag85B antigen to detect tuberculosis and on another part on the development of biosensors using cytochrome P450-2E1 (CYP2E1) enzyme to detect anti-TB drugs in aqueous systems. The immunosensor was developed by adopting the indirect ELISA method which was used for the detection of the IgG antibodies using the tuberculosis IgG ELISA. The development of immunosensor was achieved using glassy carbon electrode (GCE) modified with polyamic acid (PAA) in which Mycobacterium tuberculosis recombinant antigen Ag85B (Ag) was immobilized. PAA was electrodeposited on glassy carbon electrode (GCE) using cyclic voltammetry. The modified electrodes were characterized by cyclic and square wave voltammetry. The response profile of the immunosensor at Mycobacterium tuberculosis antibodies was studied by square wave voltammetry and the linear response was in a range of 0.3 to 1.6 mg/mL with a detection limit (LOD) of 0.08 mg/mL. On the other hand, two platforms for the development of biosensors for the detection of ethambutol and rifampicin (anti-TB drugs) were also prepared. Two platforms were prepared whereby polyamic acid-silver nanoparticles composite (PAA/AgNPs) was drop-coated on GCE to form GCE/PAA/AgNPs platform. While the other platform (GCE/PPy/AgNPs) was formed by electrodeposition of polypyrrole-silver nanoparticles composite (PPy/AgNPs) on GCE using chronopotentiometry. The GCE/PAA/AgNPs and GCE/PPy/AgNPs platforms were then characterized using cyclic voltammetry while their morphologies were obtained by atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM). The immobilization of cytochrome P450-2E1 enzyme (CYP2E1) on both platforms was achieved by means of drop coating. The efficiency of the GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 and GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensors for the detection of ethambutol (ETH) and rifampicin (RIF) was studied by differential pulse voltammetry (DPV). The GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensor was able to detect anti-TB drugs at their peak serum levels (2 – 6 µg/mL). Whereas the GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 biosensor was able to detect ethambutol at concentrations lower than the serum level (2.5 ng/mL to 12.5 ng/mL). Therefore, GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 biosensor has an ability to detect ethambutol even at trace levels in aqueous systems. Thus, the GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 biosensor have lower limit of detecting ETH (0.75 ng/mL) than GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensor (1.3 µg/mL). The sensitivity of GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 biosensor for ETH was 5 μA/ng.mL-1while the sensitivity of GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensor was 2.6 μA/μg.mL-1. The GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensor was the only biosensor that was able to detect RIF with a limit of detection of 7.5 µg/mL. The GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensor is suitable for the detection of ETH and RIF at serum levels and aqueous systems. While the GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 is suitable for only detecting anti-TB drugs at trace levels in water.