Dispositif intégré microfluidique pour la qualification de vésicules extracellulaires : mise au point de calibrants biomimétiques et de biopuces d'immunocapture

Integrated microfluic device for EVs qualification : development of calibration particles and immuno-biochips

• Auteur / Autrice : Daniel Guneysu
• Direction : Wilfrid Boireau, Céline Caille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 21/07/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST - FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon)
• Jury : Président / Présidente : Eric Lesniewska
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joël Chopineau, Anne-Marie Gué
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Dejeu, Joël Chopineau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Marqueurs biologiques

Microfluidique

Vésicules extracellulaires

Mots clés libres

Plaquettes

Nanoparticules

AFM

VEs

Spri

Microfluidique

Vésicules extracellulaires

Microsystème d'immunocapture

Nanoparticules biométriques

EVs

Microfluidic

Nanoparticles

AFM

Platelet

Spri

Extracellular vesicles

Immunocapture microsystem

Biometric nanopaticles

Résumé

Le projet ANR MADNESS a pour objectif de proposer une solution analytique de tri et de qualification de vésicules extracellulaires (EVs) contenues dans un milieu biologique complexe. La thèse a porté sur le développement d’un module de capture des EVS ainsi que sur le développement d’un panel de calibrants internes de nature synthétique permettant de certifier les performances du module de capture.Le module NanoBioAnalytique (ou NBA) est une solution miniaturisée d’immunocapture des EVs qui sera positionné en aval dans la solution globale MADNESS. Le module a pour ambition de suppléer les phases d’immunocapture dans des équipements de biodétection comme la SPRi. Une détermination des paramètres fluidiques a été engagée par simulation des écoulements sur Comsol® et vérifiée par tests microfluidiques (détermination des gammes de pression à appliquer, de la correspondance avec les débits). La fonctionnalité de l’immunocapture a pu être validée au travers de différents modèles biomimétiques microparticulaires (mimant les Evs) : des particules de 140 et 480 nm de diamètre ont été biofonctionnalisées, avec deux protéines standard : la caséine (CAS) et l’ovalbumine (OVA). Les NPs résultantes dénommées NP140-CAS / NP140-OVA et NP480-OVA seront utilisées comme calibrants internes lors des processus d’immunocapture. Les protocoles de préparation incluant les caractérisations biochimiques et biopysiques ont été validés et servent à la préparation de modèles pour l’ensemble de la chaine préparative et analytique de la solution MADNESS. Les paramètres de biodétection en termes de gamme dynamique et de limite de détection ont été déterminés en solution tampon (entre 107 particules par ml et 109 particules par ml pour l’ensemble des calibrants). Une validation de leur rôle a été faite en échantillon complexe par ajout additionnel aux vésicules extracellulaires naturelles. De cette façon, nous avons pu établir l’absence de réactions croisées sur les spots d’immunocaptures ainsi que la capacité à pouvoir les utiliser indifféremment dans des milieux soit contrôlé soit biologique.Une dernière étape a pu être franchis dans le projet MADNESS avec une première configuration de couplage entre le dispositif de tri (développé en parallèle au LAAS) et le module NBA. En dépit de conditions expérimentales limites (débit, durée, concentration…), le module a montré une bonne efficacité de fonctionnement (sensibilité et spécificité) dans des milieux de complexité croissante contribuant ainsi à une solution MADNESS performante en plasma humain.Les travaux ont été valorisés à travers la présentation de plusieurs communications scientifiques (poster et communication orale) dans des conférences nationales et internationales et de la publication d’un article dans une revue à comité de lecture.

The aim of the MADNESS project is to define an analytical solution to sort and qualify extracellular vesicles (EVs), contained in almost all biological fluids. This thesis has focused on the development of the device which captures EVs and also focused on the development of several internal synthetic calibrants which certified the performances of this module.The NanoBioAnalitycal module (NBA module) is a miniaturized way of immunocapture of EVs which will be the last part of the global MADNESS solution. The module ambition is to be a complementary part of the immunocapture phase in biodetection equipment as SPRi. The fluidic settings were determined by using the Comsol® software to do simulations of flow and confirm it by microfluidic tests (determination of flow rate in correspondence to the range of pressure applied). The immunocapture part has been validated by using different biomimetics microparticles (mimicking EVs) : 140 nm and 480 nm diameter particles were biofunctionalized with 2 standard proteins : casein (CAS) and ovalbumin (OVA). The resulting NPs called NP140-CAS/NP140-OVA and NP480-OVA will be used as internal calibrants during immunocapture process. The preparation protocol including biochemical and biophysical characterization have been validated and are used as a model for all preparatory and analytical process of the global MADNESS solution. The biodetection settings in terms of dynamic range and limit of detection were determined in buffer conditions (between 107 to 109 particles per ml for all calibrants). The validation of their role was made in complex samples by spiking natural EVs. In this way, we made sure that there is no cross-contamination between immunocapture spots and make sure that we can use it indifferently in a controlled medium or in a biological one.The last part has been reached in the MADNESS project by coupling in a first configuration the sorting device (developed by LAAS-CNRS institute) and the NBA module. Despite, limited experimental conditions (flow rate, time, concentration), the module shows a good accuracy of functioning (sensibility and specificity) in more and more complex biological environments contributing to using the MADNESS solution in human plasma.The work has been valued by several scientific communication (poster and oral) in different national and international conferences and the publication of an article in a conference paper