Urine culture, the current gold standard for urinary tract infection (UTI) diagnosis, does not produce results in an acceptable length of time. An ultra-sensitive, cost-effective electrochemical biosensing platform with nanostructured microelectrodes was designed to address the need for a rapid, point-of-care (PoC) test that could achieve a sample-to-answer time in less than an hour. Printed circuit boards and metallized glass slides were processed using various techniques and then tested for their ability to form nanostructured microelectrodes. Peptide nucleic acid probes for the bacteria and yeast as well as ten probes for antibiotic resistance genes were designed and synthesized for use with the new platform. Validation of the sensor's specificity was performed using high concentrations (100nM) of synthetic DNA oligomers. Furthermore, a clinically relevant sensitivity of 103 cfu/mL was demonstrated by detecting 4 pathogen lysates (Staphylococcus saprophyticus, Pseudomonas aeruginosa, Enterococcus faecalis and Klebsiella pneumoniae) in a buffered solution.

abstract: Cytometry is a method used to measure and collect the physical and chemical characteristics of a population of cells. In modern medical settings, the trend of precision and personalized medicines has imposed a need for rapid point-of-care diagnostic technologies. A rapid cytometric method, which aims at detecting and analyzing cells in direct patient samples, is therefore desirable. This dissertation presents the development of light-scattering-based imaging methods for detecting and analyzing cells and applies the technology in four applications. The first application is tracking phenotypic features of single particles, thereby differentiating bacterial cells from non-living particles in a label-free manner. The second application is a culture-free antimicrobial susceptibility test that rapidly tracks multiple, antimicrobial-induced phenotypic changes of bacterial cells with results obtained within 30 – 90 minutes. The third application is rapid antimicrobial susceptibility testing (AST) of bacterial cell growth directly in-patient urine samples, without a pre-culture step, within 90 min. This technology demonstrated rapid (90 min) detection of Escherichia coli in 24 clinical urine samples with 100% sensitivity and 83% specificity and rapid (90 min) AST in 12 urine samples with 87.5% categorical agreement with two antibiotics, ampicillin and ciprofloxacin. The fourth application is a multi-dimensional imaging cytometry system that integrates multiple light sources from different angles to simultaneously capture time-lapse, forward scattering and side scattering images of blood cells. The system has demonstrated capacity to detect red blood cell agglutination, assess red blood cell lysis, and differentiate red and white blood cells for potential implementation in clinical hematology analyses. These large-volume, light-scattering cytometric technologies can be used and applied in clinical and research settings to study, detect, and analyze cells. These studies developed rapid point-of-care diagnostic and imaging technologies for collectively advancing modern medicine and global health. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Chemistry 2020

Pathogenic bacteria pose serious threats to public health and safety. They can cause illness, death, and substantial economic losses. The most widely used bacterial detection methods include cell culturing, antibody-based assays, and nucleic acid amplification techniques, such as polymerase chain reaction (PCR). Unfortunately, these techniques are not well suited for point-of-care application, especially in the resource-limited regions of the world, as they require highly trained personnel to perform the test, they take a long time to complete (especially culturing), and they require sophisticated lab equipment. Thus, there is a great need for simpler, faster, and more accurate methods for bacterial detection. In this thesis, we present a simple, low-cost assay for detecting pathogenic bacteria that is based on the immobilization of a bacteria-specific RNA-cleaving DNAzyme (DNAzyme) onto a surface. If the target bacteria is present, a fluorescently labelled piece of DNA (FDNA) is released through the activity of the DNAzyme; if the target bacteria is not present, the FDNA remains attached to the surface as part of the DNAzyme construct. This method allows untrained users to determine whether a target bacteria is present by simply monitoring the fluorescence intensity in the liquid phase with a hand-held fluorimeter. The first step in this work was to experimentally evaluate different surfaces (including reduced graphene oxide and different beads) onto which the DNAzyme could be immobilized. These tests determined that agarose beads, covered with streptavidin, were ideally suited for DNAzyme immobilization. Next, we conducted a comparative evaluation of the kinetics/activity of the DNAzyme that had been immobilized onto the beads and the free DNAzyme in solution; the results of this evaluation revealed virtually identical reaction rates for the two cases, suggesting no loss of activity after immobilization. Finally, we explored how the DNAzyme sequence length influenced the assay. Specifically, we analyzed a full-length DNAzyme (Full DNAzyme) sequence and a truncated alternative (Short DNAzyme) and found that the full-length construct resulted in faster signal generation. Therefore, it was determined that the long version should be used in the assays. When coupled with a filtration step, the immobilization of biotinylated DNAzymes onto the surface of streptavidin-coated agarose beads enabled the sensitive detection of E. coli in both water samples and complex matrices, such as milk and apple juice. The bead-based assay was able to produce a strong fluorescence signal readout in as little as 2.5 min following contact with E. coli, and it was capable of achieving a detection limit of 1,000 colony-forming units (CFUs) without sample enrichment. As DNAzyme probes can be generated through in vitro selection to react to different bacteria, the RNA-cleavage based detection mechanism described in this work can be adapted for the detection of a wide range of bacterial targets. Overall, this research has led to the development of a highly sensitive and easy-to-use fluorescent bacterial detection assay that is highly attractive for field applications, especially in resource-limited regions. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Flavobacterium psychrophilum est l’agent pathogène des flavobactérioses d’eau froide touchant essentiellement les salmonidés dont la truite arc-en-ciel Oncorhynchus mykiss d’élevage. Cette bactérie Gram négative a un très fort impact économique en aquaculture car elle peut causer jusqu'à 70 % de mortalité dans les bassins d’élevage. La flavobactériose se décline sous deux formes pathologiques : la maladie de l’eau froide touchant les poissons adultes et le syndrome de l’alevin de truite arc-en-ciel touchant les juvéniles.Au cours de se travail, une méthode de PCR quantitative a été proposée. Elle permet en moins de trois heures de détecter et de quantifier un nombre de copies du gène codant l’ARNr 16S de la bactérie dans les tissus du poisson. Cette méthode a été testée sur différentes suspensions bactériennes (F. psychrophilum, autres flavobactéries, autres pathogènes) afin d’en valider la spécificité. La sensibilité de la méthode de détection a été évaluée à 1 et 2 bactéries par PCR en fonction de la matrice biologique utilisée.Une étude écotoxicologique a été menée et montre d’une part que F. psychrophilum est une bactérie hyper-sensible au cadmium comparée aux autres bactéries Gram négatives. Sa croissance est diminuée d’un facteur 2 en présence d’une contamination au Cd à 0,4 µM. D’autre part, nous avons constaté qu’une contamination de truites juvéniles par 1 µg CdCl2/L (2 mois) et une injection de 5 × 107 flavobactéries par individu (1 mois) ne provoque aucune mortalité. L’expression génique mesurée sur ses poissons démontre que le cadmium peut avoir des effets contradictoires sur le système immunitaire du poisson, pouvant soit exacerber ou diminuer la réponse immunitaire selon l’organe considéré. Un travail comparatif de la prévalence de la flavobactérie dans 7 sites aquacoles d’Aquitaine a démontré que la flavobactérie est omniprésente et que sa pathogénicité est contrôlée par le système immunitaire des poissons en bonne santé apparente. L’expression génique mesurée sur les poissons malades et apparemment sains nous apporte deux informations importantes : 1/ les gènes codant pour la métallothionéine A et l’interleukine 1-β sont de bons bio-marqueurs de la maladie et 2/ la répression des gènes codant pour le complexe majeur d’histocompatibilité 2-β, le facteur de croissance transformant β, le cluster de différentiation 8-α et l’immunoglobuline T dans la rate des poissons malades montre un effondrement du système immunitaire acquis nous permettant d’émettre l’hypothèse que ce phénomène déclenche l’apparition de la maladie. Ainsi, F. psychrophilum aurait un comportement de pathogène à virulence latente.Afin d’imaginer de nouvelles mesures prophylactiques et pour mieux comprendre la pathogénicité de la bactérie, une analyse du protéome de la membrane externe couplée à l’annotation du génome séquencé a été effectuée. Il a été identifié entre autres 1/ des protéines d’adhésion et d’invasion des tissus et 2/ des protéines d’acquisition de métabolites de l’hôte. De plus, un nombre important de protéines immunogènes chez la truite potentiellement utilisable dans un cocktail vaccinant a été détecté. Afin de chercher un vecteur pour ce cocktail, des nanoparticules d’acide γ-glutamique et phénylalanine d’environ 100 à 200 nm de diamètre ont été synthétisées. Ces dernières constituent une approche séduisante pour vacciner les poissons avec des antigènes de F. psychrophilum encapsulés puis incorporés dans la nourriture. / Flavobacterium psychrophilum is the causative agent of cold water flavobacteriosis, a condition affecting mostly salmonid fish, including the farmed rainbow trout Oncorhynchus mykiss. This Gram negative bacterium can cause up to 70% mortality in breeding tanks and has a very strong economic impact on the fish farming industry. Flavobacteriosis can take two pathological forms: the cold water disease affecting adult fish and the rainbow trout fry syndrome affecting juveniles.In the present study, a method of quantitative PCR was devised that allowed for the detection and the quantification, within three hours, of the 16S rRNA copy number in fish tissues. This method’s specificity was confirmed through the use of various bacterial suspensions (F.psychrophilum, others flavobacteria and others pathogens) and its detection limit was estimated to be 1 and 2 bacteria in broth and in biological matrices, respectively.An ecotoxicological study was then performed that showed that, on the one hand, F. psychrophilum is cadmium hypersensitive compared to others Gram negative bacteria because its growth rate, compared to a control, is decreased by a factor 2 at a cadmium concentration of 0,4 µM. On the other hand, we observed that subjecting rainbow trout juveniles to a concentration of 1 µg CdCl2/L for2 months prior to an injection of 5 × 107 F. psychrophilum by fish didn’t lead to any mortality. The gene expression which was measured on these fish demonstrated that cadmium can have contradictory effects on the immune system of fish, which could enhance or decrease the immune response depending of the organ. A comparative work of the prevalence of flavobacteria in 7 fish farms within the Aquitaine region (France) demonstrated that the bacterium was endemic and present in asymptomatic fish. Gene expression levels were measured on diseased and asymptomatic fish and demonstrated that the genes metallothionein A and interleukine 1-β were good biomarkers of the disease and that repression of the genes major histocompatibility complex 2-β, transforming growth factor -β, cluster of differentiation α and immunoglobulin T in the spleen of diseased fish was indicative of a collapse of the acquired immune system. We therefore hypothesized that this event marked the beginning of the disease and that F. psychrophilum is mostly an opportunistic pathogen.To prepare the development of new prophylactic techniques and to understand better the bacterium pathogenicity, an analysis of the outer membrane proteome coupled with sequencing of the bacterial genome was also performed. Furthermore, a significant number of immunogenic proteins were identified as good candidates for the preparation of a vaccine. Finally, γ-glutamic acid and phenylalanine nanoparticles of about 100 - 200 nm in diameter were synthesized to serve as potential vector for this vaccine. These nanoparticles should be tested to administrate F. psychrophilum antigens to fish through the digestive route.

La prévention du risque infectieux représente un enjeu de sécurité majeur pour l'Etablissement Français du Sang. A l'heure actuelle, le risque bactérien constitue le risque infectieux majoritaire dans les pays développés. Le risque bactérien ne se limite pas au domaine de la transfusion. La résistance aux antibiotiques constitue un problème majeur de santé publique. Les peptides antimicrobiens sont des armes importantes de l'immunité innée qui représentent une alternative intéressante aux antibiotiques classiques. Chez l'Homme, les α-défensines 1, 2 et 3 (HNPs 1-3) sont présentes dans les granules azurophiles des polynucléaires neutrophiles. Nous avons développé un procédé innovant de purification des HNPs 1-3 à partir des filtres de déleucocytation utilisés lors de la préparation des produits sanguins labiles. Ce procédé permet la production d'un cocktail pur d'HNPs 1-3 dont l'activité antibactérienne a été démontrée dans ce travail. Les défensines HNPs 1-3 ont par ailleurs été utilisées comme élément biorécepteur dans une approche innovante de détection bactérienne. Dans un premier temps, un immunocapteur électrochimique a été développé exploitant des microparticules magnétiques fonctionnalisées par des anticorps commerciaux. Dans un second temps, nous avons fonctionnalisé des microparticules magnétiques par les défensines HNPs 1-3 purifiées par notre protocole. Nous avons obtenu une première preuve de concept attestant de la capture des bactéries par cette approche innovante. La stabilité des peptides, associée aux performances des biocapteurs électrochimiques permettrait d'élaborer un test générique de détection de bactéries dans les produits sanguins labiles. / The prevention of the infectious risk is a major issue for the Etablissement Français du Sang. Currently, bacterial contamination is the most infectious risk in developed countries. The bacterial risk is not limited to blood transfusion safety. The antimicrobial resistance is a major public health problem. Antimicrobial peptides are important arm of the innate immune system which represents an interesting alternative to antibiotics. Human neutrophil peptides 1, 2 and 3 (HNPs 1-3) are found in the azurophilic granules of neutrophils. We have developed an original approach of HNPs 1-3 purification from leucodepletion filters used in blood processing. This process allows the production of a pure cocktail of HNPs 1-3 displaying high antibacterial activity as demonstrated by this work. HNPs 1-3 have also been used as bioreceptor in an innovative approach for bacterial detection. Initially, an electrochemical immunosensor was designed, exploiting magnetic microparticles coated with commercially available antibodies. In a second step, magnetic microparticles have been coated efficently with the HNPs 1-3 purified according our protocol. We have obtained a first proof of concept showing the bacterial capture by this innovative approach. The peptides stability combined with the electrochemical biosensors performances would allow the development of a generic bacteria detection assay in labile blood products.

Le suivi de la viabilitié, la croissance et le métabolisme cellulaire des bactéries peut contribuer de manière significative au diagnostic précoce de la maladie, mais peut aussi aider à améliorer le rendement des produits bactériens dans des expériences industrielle ou à petite echelle. Les méthodes conventionnelles utilisées pour l'étude de la sensibilité des bactéries aux antibiotiques sont basées principalement sur la culture, une technique qui prend au moins 12 heures pour rendre un résultat. Ce retard conduit au surtraitement d'un large éventail d'infections par des antibiotiques à large spectre, ce qui est coûteux et peut conduire à l'apparition de résistance à ces antibiotiques précieux, tandis que la détection rapide d'une infection virale ou l'absence de bactéries pourrait prévenir de tels traitements et, dans le cas d'une infection bactérienne, l'identification de la sensibilité aux antibiotiques pourrait permettre l'utilisation d'antibiotiques à spectre étroit. Le projet décrit dans le présent document vise à surveiller les activités biologiques des bactéries vivantes immobilisées sur les surfaces biofonctionnalisées de microstructures composées de semi-conducteurs quantiques (QS). Le procédé dépend de la sensibilité de la photoluminescence (PL) émise par des semi-conducteurs à la perturbation du champ électrique induit par la charge électrique des bactéries immobilisées sur la surface de ces structures. Dans la première phase du projet, nous avons étudié une méthode innovante impliquant la surveillance par PL de l'effet de photocorrosion dans des hétérostructures GaAs/AlGaAs. Le maintien d'un équilibre entre la sensibilité et la stabilité du biocapteur dans l'environnement aqueux nous a permis de détecter Escherichia coli K12 dans des solutions salines tamponnées au phosphate (PBS) avec une limite de détection attrayante de 103 UFC/ml en moins de 2 heures. Suite à cette recherche, nous avons émis l'hypothèse que ces hétérostructures pourraient être utilisés pour développer une méthode à faible coût et quasiment en temps reel de la croissance et de la sensibilité des bactéries aux antibiotiques. L'un des éléments clés dans le développement de cette plate-forme de biocapteurs était de démontrer que le GaAs (001), normalement utilisé pour recouvrir les hétérostructures de GaAs/AlGaAs, ne nuira pas à la croissance des bactéries. Dans la deuxième phase du projet, nous avons exploré la capture et la croissance de E. coli K12 sur des surfaces nues et biofonctionnalisées de GaAs (001). Il a été déterminé que la couverture initiale et les taux de croissance de bactéries dépendent de l'architecture de biofonctionnalisation utilisée pour capturer les bactéries: les surfaces biofonctionnalisées avec d'anticorps présentaient une efficacité de capture significativement plus élevée. En outre, on a trouvé que pour des suspensions contenant des bactéries à moins de 105 UFC/ml, la surface des plaquettes de GaAs ne supportait pas la croissance des bactéries, quel que soit le type d'architecture de biofonctionnalisation. Dans la troisième phase du projet, nous avons suivi la croissance et la sensibilité aux antibiotiques de E. coli K12 et E. coli HB101. Tandis que la présence de bactéries retardaient d’apparition du maximum de PL, la croissance des bactéries retardaient encore plus ce maximum. Par contre, en presence d’antibiotiques efficaces, la croissance des bactéries était arrêtée et le maximum de PL est arrivé plus tôt. Ainsi, nous avons pu distinguer entre des E. coli sensibles ou résistantes à la pénicilline ou à la ciprofloxacine en moins de 3h. En raison de la petite taille, du faible coût et de la réponse rapide du biocapteur, l'approche proposée a le potentiel d'être appliquée dans les laboratoires de diagnostic clinique pour le suivi rapide de la sensibilité des bactéries aux antibiotiques. / Abstract : Monitoring the viability, growth and cellular metabolism of bacteria can contribute significantly to the early diagnosis of disease, but can also help improve yield of bacterial products in industrial- or small-scale experiments. Conventional methods applied for investigation of antibiotic sensitivity of bacteria are mostly culture-based techniques that are time-consuming and take at least 12 h to reveal results. This delay leads to overtreatment of a wide range of infections with broad spectrum antibiotics which is costly and may lead to the development of resistance to these precious antibiotics, whereas rapid detection of a viral infection or absence of bacteria could prevent such treatments and, in the case of bacterial infection, identification of antibiotic susceptibility could allow use of narrow spectrum antibiotics. The project outlined in this document aims at monitoring biological activities of live bacteria immobilized on biofunctionalized surfaces of quantum semiconductor (QS) microstructures. The method takes advantage of the sensitivity of photoluminescence (PL) emitting semiconductors to the perturbation of the electric field induced by the electric charge of bacteria immobilized on the surface of these structures. Our hypothesis was that bacteria growing on the surface of biofunctionalized QS biochips would modify their PL in a different, and measurable way in comparison with inactivated bacteria. In the first phase of the project, we investigated an innovative method involving PL monitoring of the photocorrosion effect in GaAs/AlGaAs heterostructures. Maintaining the balance between device sensitivity and stability in the biosensing (aqueous) environment allowed us to detect Escherichia coli K12 in phosphate buffered saline solutions (PBS) at an attractive limit of detection of 103 CFU/mL in less than 2 hours. Following this research, we hypothesised that these heterostructures could be employed to develop a method for inexpensive and quasi-real time monitoring of the growth and antibiotic susceptibility of bacteria. One of the key elements in the development of this biosensing platform was to demonstrate that GaAs (001), normally used for capping PL emitting GaAs/AlGaAs heterostructures, would not inhibit the growth of bacteria. In the second phase of the project, we explored the capture and growth of E. coli K12 on bare and biofunctionalized surfaces of GaAs (001). It has been determined that the initial coverage, and the subsequent bacterial growth rates are dependent on the biofunctionalization architecture used to capture bacteria, with antibody biofunctionalized surfaces exhibiting significantly higher capture efficiencies. Moreover, for suspensions containing bacteria at less than 105 CFU/mL, it has been found that the surface of GaAs wafers could not support the growth of bacteria, regardless of the type of biofunctionalization architecture. In the third phase of the project, we used PL to monitor the growth and antibiotic susceptibility of E. coli K12 and E. coli HB101 bacteria. While immobilization of bacteria on the surface of GaAs/AlGaAs heterostructures retards the PL monitored photocorrosion, growth of these bacteria further amplifies this effect. By comparing the photocorrosion rate of QS wafers exposed to bacterial solutions with and without antibiotics, the sensitivity of bacteria to the specific antibiotic could be determined in less than 3 hours. Due to the small size, low cost and rapid response of the biosensor, the proposed approach has the potential of being applied in clinical diagnostic laboratories for quick monitoring of antibiotic susceptibility of different bacteria.