Nouveaux capteurs de virus basés sur des systèmes intégrés à puce alpha-quartz

New virus sensor devices based on chip alpha-quartz integrated systems

• Auteur / Autrice : Raïssa Rathar
• Direction : Adrien Carretero genevrier, Laura Picas
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 19/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IES - Institut d'Electronique et des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Matériaux Micro et Nanodispositifs (M2N)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Briant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adrien Carretero genevrier, David Munoz-rojas, Ardila-rodriguez Gustavo-adolpho, Félix Rico, Laura Picas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : David Munoz-rojas, Félix Rico

Mots clés

Mots clés libres

Quartz

Biocapteur

Virus

Piezoelectricité

Mems

Cellules dendritiques

Quartz

Biocaptor

Virus

Piezoelectricity

Mems

Dendritic cells

Résumé

En raison des changements climatiques, certains virus réapparaissent. Comme le virus Chikungunya (CHIKV), un arbovirus transmis par les piqûres de moustiques Aedes aegypti infectés, qui menace l'Europe. Le temps d'incubation est court de 3 à 10 jours, la plupart des cas étant asymptomatiques. Cependant, d'autres arbovirus présentent les mêmes symptômes, nécessitant des solutions précises et immédiates pour les tests de diagnostic virologique et sérologique. Ces tests doivent être précis, rapides, sélectifs, un bon rapport coût-efficacité pour contribuer à la prévention des infections et contrôler une situation pandémique. Dans ce contexte, l'industrie des systèmes microélectromécaniques (MEMS), en particulier les résonateurs piézoélectriques, est un secteur prometteur sur le marché de la bio-détection et ont montré leur potentiel pour la détection de masse. Malheureusement, l'application des MEMS au secteur biomédical est encore limitée exigeant des qualités biocompatibles difficiles à obtenir, les rendant inaccessibles aux scientifiques spécialisés dans les matériaux. Ma thèse, qui se situe à l'interface entre les MEMS et la biologie, vise à développer des MEMS piézoélectriques à résonance α-quartz/Si fabriqués par des voies rentables de chimie douce pour détecter la réponse de masse du CHIKV à l'aide d'interfaces de reconnaissance sélectives du virus. Cette thèse s'appuie sur la technologie développée dans mon laboratoire de thèse (NanoChemLab/ IES), qui a réussi à concevoir des MEMS en α-quartz d'une épaisseur entre 500 nm et 15 µm, soit 10 à 50 fois plus fins que ceux obtenus par les technologies top-down traditionnelles sur des cristaux en vrac. Le quartz est abondant, non toxique et à un haut facteur de qualité Q. Cependant, l’immersion du piezo-MEMS en milieu liquide pour les mesures biologiques, réduit considérablement leurs performances mécaniques par rapport au vide ou à l'air. Par conséquent, j'ai étudié les caractéristiques mécaniques de le piézo-MEMS en milieux liquides à l'aide de la transduction optique avant d'exploiter ses capacités piézoélectriques. À cette fin, j'ai conçu une chambre siliconée pour contenir le liquide et effectuer des mesures en temps réel à l'aide d'un vibromètre laser. La chambre a permis d'amplifier l'amplitude de déplacement des piézo-MEMS. Pour détecter sélectivement la réponse de masse de la détection du CHIKV, deux types d'interfaces de reconnaissance du virus ont été conçus sur des résonateurs MEMS : 1) un système synthétique basé sur la bio-conjugaison covalente de protéines recombinantes interagissant sélectivement avec les protéines E2 de l'enveloppe du CHIKV, et 2) un système cellulaire basé sur des cellules dendritiques (DC) d'origine humaine, qui sont des régulateurs centraux de la réponse immunitaire en détectant les agents pathogènes. J'ai pu établir la fréquence de résonance, le Q et l'amplitude de déplacement de l'α-quartz piézo-MEMS dans différents milieux liquides, y compris la solution saline tamponnée au phosphate (PBS) ou le milieu Dulbecco modifié d'Iscove (IMDM), un milieu de culture de cellules immunitaires. Dans ces conditions, le piezo-MEMS a présenté une sensibilité de masse de 23,70 ng/Hz. Ces résultats m'ont permis de surveiller l'interaction de particules non infectieuses de type CHIKV (CHIK-VLP) avec une couche de bio-reconnaissance synthétisée. J’ai pu déterminer des masses expérimentales des CHIKV-VLP. Enfin, j'ai étudié comment la topographie de la surface des MEMS pouvait moduler la réponse immunitaire des DC. J'ai découvert que des nanotopographies de surfaces spécifiques favorisent la formation de structures adhésives enrichies en actine et de récepteurs immunitaires et régulent la signalisation médiée par ERK dans les CD. Ainsi, la reconnaissance des pathogènes peut être modulée. En conclusion, cette thèse ouvre la voie au développement d'une nouvelle génération de bio-MEMS à quartz piézoélectrique sur puce pour la détection sélective des virus.

Because of climate changes, certain viruses are re-emerging. This is the case of the Chikungunya virus (CHIKV), an arbovirus transmitted by the bites of CHIKV-infected Aedes aegypti mosquitoes that is beginning to threaten Europe. CHIKV infection has a short incubation time of 3 to 10 days, with most cases asymptomatic. However, other arboviruses can have the same symptoms, hence, requiring precise and immediate solutions for virological and serological diagnosis tests. These tests must be accurate, rapid, selective, and cost-efficient to help prevent infections and eventually control a pandemic situation. In this context, the Microelectromechanical Systems (MEMS) industry, especially piezoelectric resonators of all shapes and sizes, is a promising sector that will revolutionize the biological detection market. Ultrahigh-sensitive micromechanical resonators showed the potential of this technology for mass detection. Unfortunately, applying MEMS to the biomedical sector is still limited as it requires challenging biocompatible qualities, making it often unattainable to material scientists and engineers. My thesis project, which is at the interface between MEMS and biology, aims at developing piezoelectric α-quartz/Si resonating MEMS manufactured by cost-efficient soft-chemistry routes to detect the mass response of CHIKV using virus-selective recognition interfaces. This thesis built upon the technology developed in my thesis laboratory (the NanoChemLab team at the IES laboratory), which succeeded in engineering α-quartz MEMS with thicknesses between 500 nm and 15 µm, this is between 10 to 50 times thinner than those obtained by traditional top-down technologies on bulk crystals. Quartz has the advantage of being abundant, non-toxic, and having a high-quality factor. However, the fact that quartz MEMS must be immersed in a liquid medium for biological measurements significantly reduces their mechanical performance compared with vacuum or air. Therefore, during my thesis, I investigated the mechanical characteristics of the α-quartz piezo-MEMS under liquid conditions using optical transduction before exploiting its capabilities as a piezoelectric transducer. To this end, I designed a silicone-based chamber to contain the liquid and perform real-time measurements using a laser vibrometer. Furthermore, the design of the chamber allowed to amplify the displacement amplitude of piezo-MEMS. To selectively detect the mass response of CHIKV detection, we designed two types of virus recognition interfaces on MEMS resonators: 1) a synthetic system based on the covalent bioconjugation of recombinant proteins selectively interacting with the CHIKV envelope E2 proteins, and 2) a cellular system based on human-derived dendritic cells (DCs), which are central regulators of the immune response by detecting pathogens. During my thesis, I could establish the resonance frequency, quality factor, and displacement amplitude of α-quartz piezo-MEMS under different liquid mediums, including phosphate-buffered saline (PBS) buffer or Iscove’s Modified Dulbecco’s Medium (IMDM), an immune cell culture medium. Under these conditions, the quartz MEMS exhibited a mass sensitivity of 23.70 ng/Hz. These results allowed me to monitor the interaction of non-infectious CHIKV-like particles (CHIK-VLPs) with a synthetically engineered biorecognition layer. Consequently, I could determine the experimental masses of CHIKV-VLPs using a piezo-MEMS. Finally, I investigated how the surface topography of MEMS might modulate the immune response of DCs. I found that specific surface nanotopographies promote the patterning of adhesive actin-enriched structures and immune receptors and regulate ERK-mediated signaling in DCs. Hence potentially modulating pathogen recognition. In conclusion, this thesis sets the stage for the development of a new generation of on-chip piezoelectric quartz bio-MEMS for selective virus detection.