Ligandgesteuerte Ionenkanäle sind Membranproteine, die an der Weiterleitung von Reizen und an der Kommunikation zwischen Zellen beteiligt sind. Große Bedeutung besitzt die Messung der Aktivierung der Ionenkanäle beispielsweise in der Medizin (z.B. Ionenkanalerkrankungen), der Pharmazie (z.B. Medikamenten-Screening) und in der Bionanotechnologie (z.B. molekulare Schalter). In all diesen Gebieten besteht die Forderung nach hohen Probendurchsätzen bei sehr hohem Informationsgehalt. Etablierte elektrochemische Detektionsmethoden erfüllen diese Forderung nicht. Um dieses Defizit zu überwinden, wurde ein Ionenkanalsensor-Array mit optischer, paralleler Detektion entwickelt. Eine mikrostrukturierte Polymethyl(meth)acrylat (PMMA)-Schicht dient als Grundgerüst des Arrays. Über die Mikroporen, die nur wenige Mikrometer Durchmesser aufweisen, wird eine Lipidmembran gespannt, in die Ionenkanäle eingebaut werden. Wird der Ionenkanal aktiviert, strömen Ionen in die Mikroporen und führen zu einer messbaren Veränderung des Brechungsindexes. Mittels Oberflächenplasmonen-Resonanz Imaging lässt sich die Aktivierung der Ionenkanäle markierungsfrei und direkt bestimmen. Stabile, die Mikrostruktur überspannende Lipidmembranen wurden durch eine neu entwickelte Stempeltechnik und durch eine Oberflächenmodifikation der PMMA-Mikrostruktur erzielt. Für die Charakterisierung und den Funktionsnachweis des Sensoraufbaus wurden das infrarot-spektroskopische Imaging und die Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt. Schließlich konnte gezeigt werden, dass eine Verbesserung der Empfindlichkeit durch das lokale Aufkonzentrieren der durch den Ionenkanal geströmten Metallionen am Porengrund mit oberflächengebundener 2-(Benzylsulfid)-18-Krone-6 möglich ist.

Ligandgesteuerte Ionenkanäle sind Membranproteine, die an der Weiterleitung von Reizen und an der Kommunikation zwischen Zellen beteiligt sind. Große Bedeutung besitzt die Messung der Aktivierung der Ionenkanäle beispielsweise in der Medizin (z.B. Ionenkanalerkrankungen), der Pharmazie (z.B. Medikamenten-Screening) und in der Bionanotechnologie (z.B. molekulare Schalter). In all diesen Gebieten besteht die Forderung nach hohen Probendurchsätzen bei sehr hohem Informationsgehalt. Etablierte elektrochemische Detektionsmethoden erfüllen diese Forderung nicht. Um dieses Defizit zu überwinden, wurde ein Ionenkanalsensor-Array mit optischer, paralleler Detektion entwickelt. Eine mikrostrukturierte Polymethyl(meth)acrylat (PMMA)-Schicht dient als Grundgerüst des Arrays. Über die Mikroporen, die nur wenige Mikrometer Durchmesser aufweisen, wird eine Lipidmembran gespannt, in die Ionenkanäle eingebaut werden. Wird der Ionenkanal aktiviert, strömen Ionen in die Mikroporen und führen zu einer messbaren Veränderung des Brechungsindexes. Mittels Oberflächenplasmonen-Resonanz Imaging lässt sich die Aktivierung der Ionenkanäle markierungsfrei und direkt bestimmen. Stabile, die Mikrostruktur überspannende Lipidmembranen wurden durch eine neu entwickelte Stempeltechnik und durch eine Oberflächenmodifikation der PMMA-Mikrostruktur erzielt. Für die Charakterisierung und den Funktionsnachweis des Sensoraufbaus wurden das infrarot-spektroskopische Imaging und die Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt. Schließlich konnte gezeigt werden, dass eine Verbesserung der Empfindlichkeit durch das lokale Aufkonzentrieren der durch den Ionenkanal geströmten Metallionen am Porengrund mit oberflächengebundener 2-(Benzylsulfid)-18-Krone-6 möglich ist.

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Surface immobilization of probe molecules in surface based assays is a key area of research in the continued development of immunoassay microarrays. Interest continues to grow in microarray based immunoassays given their potential as a high throughput technique for immunodiagnostics. Therefore, it is important to thoroughly study and understand the implications of interfacial chemistry and immobilization conditions on the performance of the assay. This thesis presents a body of work that examines the impact of probe density, interfacial chemistry, and enhancement factors for arrays read with surface plasmon resonance (SPR) imaging. An array of structurally similar Salmonella disaccharides was immobilized at varying densities and the interface formed was thoroughly investigated to determine the properties of the interface. The arrays were then used with SPR imaging to evaluate the binding of an antibody specific for one disaccharide of the three stereoisomers on the array. A dilute disaccharide surface was found to provide optimal antibody binding. Higher densities result in steric hindrance of antibody binding by not allowing the disaccharide to insert into the antibody binding pocket. The role of interfacial chemistry in antibody attachment was studied to determine optimum conditions. The study examined physical adsorption, covalent attachment, and affinity capture. It was found that covalent attachment provided the most stable attachment and resulted in the lowest levels of antigen detection. Both the physical adsorption and affinity capture provided larger antigen binding capacity and therefore more sensitive antigen detection. The covalent attachment was chosen to evaluate an enhanced assay with the incorporation of gold nanoparticles. These particles provided detection limits that were an order of magnitude improved over those excluding the nanoparticles. A novel surface chemistry for antibody immobilization in SPR imaging studies was evaluated. This involved the electrochemical driven formation of mono- to multilayers of diazonium benzoic acid films. The studies showed the ability to control the thickness of the films formed and also the ability of the antibody chips to capture antigen from solution.

Le présent travail de thèse repose sur la conception d'un système miniaturisé de type biopuce capable d'assurer la capture et le relargage contrôlé de différentes populations des cellules sanguines (e.g. lymphocytes). Ce projet a pour objectif la construction d'un outil potentiel de recherche dans le domaine de l'immunologie ainsi que du diagnostic qui permettrait non seulement de réaliser des essais à partir d'une faible quantité d'échantillon, mais aussi de réduire le temps d'analyse. L'approche consiste plus précisément en la fabrication d'une matrice d'oligonucléotides et l'immobilisation de cellules via une molécule hybride composée d'un anticorps IgG couplé à une séquence d'oligonucléotide complémentaire. La synthèse du produit conjugué est mise en place et conduit à l'assemblage functionnel sur biopuce. Une fois les cellules spécifiquement capturées sur la surface, deux voies de rélargage contrôlé sont explorées. Ainsi, les lymphocytes sont libérées de façon contrôlée et séquentielle par clivage enzymatique d'ADN ou alors par désorption physique possible grâce au chauffage localisé. La détection se fait en temps réel par l'imagerie de la résonance plasmonique de surface (Surface Plasmon Resonance Imaging, SPRi) qui présente l'avantage de pouvoir suivre les phénomènes biomoléculaires en absence de marquage et d'apporter une réponse simultanée d'un échantillon biologique sur un grand nombre des sondes. Accessoirement, une approche instrumentale particulière nous permet d'observer les étapes de capture/relargage par microscopie optique classique. La construction de la biopuce permet également l'élargissement à plusieurs cibles et ouvre ainsi la voie à de nombreuses possibilités d'exploration en termes d'application pour l'analyse d'échantillons biologiques plus complexes tels que du sang. / This PhD thesis is devoted to conception of a miniaturized system of biochip type able to realize a controlled capture and release of different populations of the blood cells (e.g. lymphocytes). The main objective of the project is to create a potential tool of research, especially in the field of immunology, and medical diagnostics as well, that could perform short-time analyses by using a small sample amount. The approach relies more precisely on fabrication of a DNA matrix and further immobilization of cells through a hybrid molecule composed of an IgG antibody covalently coupled with short oligonucleotide sequence. Synthesis of the conjugated product is developed and demonstrates functional assembly on the micro-platform. Lymphocytes are specifically addressed onto biochip surface and once they are captured, two independent strategies of selective release are proposed. Therefore, immobilized cells are specifically detached either upon enzymatic cleavage of oligonucleotide substrate or physically desorbed by local heating and denaturation of double stranded DNA. The system makes use of Surface Plasmon Resonance Imaging (SPRi) to enable real time detection of different biomolecular phenomena in a label-free and high-throughput manner. Accessorily, a particular instrumental approach is developed in order to observe cell capture-release steps directly under optical microscopy. The biochip construction permits to extend its performance to many targets and may be further explored in terms of application to analysis of complex biological samples such as blood.

Détection et quantification de bactéries à faible taux par SPRi Résumé: Le protocole standard pour le diagnostic des bactéries dans le domaine médical et agro-alimentaire reste la culture microbienne, qui prend plusieurs jours pour identifier l'agent pathogène. Cependant, ces temps de latence ne sont pas compatibles avec l'urgence d'analyser rapidement la présence de bactéries pathogènes. Il ya un besoin croissant de vouloir développer de nouveaux outils pour identifier les bactéries pathogènes en un temps plus court. Afin atteindre cet objectif, la technologie de l'imagerie par Résonance des Plasmons de Surface (SPRi) a été utilisée avec succès pour la détection spécifique durant leur croissance des populations bactériennes en utilisant des protéines et/ou des anticorps comme molécule de bio reconnaissance des surfaces bactériennes. Ainsi, la détection spécifique de un à plusieurs milliers de pathogènes/ml peut être réalisé en quelques heures seulement. Dans le présent travail, plusieurs souches bactériennes ont été utilisées comme modèle : Streptococcus pneumoniae R6, Escherichia coli K12 ; ainsi que des agents pathogènes réels (Salmonella enteritidis) apportant la preuve que cette méthode peut être élargie à d'autres souches. Les résultats peuvent être quantitatifs par l'établissement d'une courbe d'étalonnage, permettant ainsi de remonter à la concentration initiale d'un échantillon contaminé. La stratégie développée au cours de ce travail se base sur le couplage simultané de la culture bactérienne et de la détection/identification spécifique, en utilisant l'imagerie SPR. Mots clés en français : Imagerie par résonance plasmonique de surface (SPRi), Streptococcus pneumoniae, E.coli K12, Salmonella enteritidis, croissance bactérienne, interactions, détection, capture, diagnostic, agro-alimentaire, pathogènes. / Low Level Bacteria Detection and Quantification using SPRi Abstract: The standard protocol for bacterial diagnosis in the medical and agronomic fields remains microbial culture, which takes several days to identify the pathogen. However, these time lags are not compatible with the urgency to rapidly analyse the presence of pathogenic bacteria. There is a strong need to develop new tools for identifying pathogenic bacteria in a shorter time. To achieve this goal, Surface Plasmon Resonance imaging (SPRi) technology has been successfully used for the specific detection of bacterial populations during their growth, using proteins and/or antibodies as bio-recognition molecules targeting bacterial surfaces. Thus, the specific detection of one to thousand pathogens/ml could be achieved within few hours. Several bacterial strains were used as models in this work: Streptococcus pneumoniae R6, Escherichia coli K12, as well as a real pathogen (Salmonella enteritidis) providing the proof that this method can be enlarged to other strains. The results can be quantitative by establishing a calibration curve, allowing extrapolation of the initial concentration of a contaminated sample. The strategy developed in this work, is based on the simultaneous coupling of the bacterial enrichment with the specific detection and identification, using the SPR imaging technique. Mots clés en anglais : Surface Plasmon Resonance imaging (SPRi), Streptococcus pneumoniae, E.coli K12, Salmonella enteritidis, bacterial growth, interactions, detection, capture, diagnosis, agri-food, pathogens.

L'objectif de cette thèse est d'explorer les applications potentielles d'un système de langue électronique basée sur des récepteurs combinatoires à réactivités croisées et l'imagerie par résonance de plasmons de surface, pour l'analyse et la discrimination de différents milieux complexes et de bactéries. L'étude de milieux complexes a été réalisée sur des échantillons de différentes natures comme le vin, la bière et le lait d'origines végétale et animale. Les expériences ont démontré que notre système de langue électronique est capable de répondre avec une bonne sélectivité à ces milieux complexes et qu'il génère ainsi des profils continus 2D et des images 3D, propres à chaque échantillon. La différentiation et la classification de ces divers types de boissons ont été réalisées grâce à ces signatures 2D et 3D. Le dispositif a également prouvé son efficacité pour le suivi du vieillissement du lait. Une seconde étude a été dédiée à l'application du système pour la détection de bactéries. Dans un premier temps, des paramètres fluidiques ont été optimisés comme la forme et la profondeur de la cuve ou le débit fluidique, en raison de la morphologie variable des bactéries, considérées ici comme des objets biologiques complexes et volumineux. Dans un second temps, le système s'est révélé performant pour l'analyse de bactéries et a montré la possibilité de quantifier ces analyses. En effet, la langue électronique a permis la discrimination de différentes bactéries selon leur genre, leur espèce et en fonction des souches grâce aux profils continus 2D et aux images 3D. / The objective of this PhD thesis is to explore the potential applications of the electronic tongue, based on combinatorial cross-reactive receptors and surface plasmon resonance imaging, for analysis and discrimination of different complex mixtures and bacteria. In this work, various complex mixtures of different nature such as wine, beer, and milk (either animal-based or plant-based) are used. It has been demonstrated that the electronic tongue is capable of responding differently to theses samples with good selectivity. For each of them, it can generate characteristic continuous 2D profile and 3D image, based on which the differentiation and classification of the complex mixtures have been carried out. Furthermore, it has been illustrated that the electronic tongue is efficient for monitoring the deterioration of milk. In the second part of this thesis, the electronic tongue has been applied for detection and analysis of bacteria. At first, some fluidic parameters have been optimized due to the variable morphology of these complexes and large biological objects. Under optimized experimental conditions, the electronic tongue is effective for analysis of bacteria with the possibility for quantification. Thereafter, the electronic tongue has allowed for the discrimination of different bacteria according to their genus, species and strains based on continuous 2D profiles and 3D images.

L'objectif de cette thèse est le développement d'une langue électronique avec une méthode simplifiée d'obtention de récepteurs à réactivité croisée. Ces récepteurs sont préparés par une approche combinatoire novatrice qui consiste au mélange et à l'auto-assemblage de deux disaccharides. Le couplage de ces récepteurs avec un système de détection d'imagerie par résonance des plasmons de surface nous a permis de réaliser une langue électronique capable de différencier des échantillons de différentes complexités, y compris des protéines pures et des mélanges complexes. Cela se fait grâce aux profils et images d'évolution continue, assimilés à des « empreintes digitales » des échantillons. D'un autre côté, ce système peut être utilisé en tant qu'outil pour la conception de surfaces biomimétiques 2D et 3D. Ce système est prometteur pour l'étude des interactions sucre-protéine et pour la préparation de nanovecteurs biomimétiques qui ciblent de façon spécifique des protéines d'intérêt. / L'objectif de cette thèse est le développement d'une langue électronique avec une méthode simplifiée d'obtention de récepteurs à réactivité croisée. Ces récepteurs sont préparés par une approche combinatoire novatrice qui consiste au mélange et à l'auto-assemblage de deux disaccharides. Le couplage de ces récepteurs avec un système de détection d'imagerie par résonance des plasmons de surface nous a permis de réaliser une langue électronique capable de différencier des échantillons de différentes complexités, y compris des protéines pures et des mélanges complexes. Cela se fait grâce aux profils et images d'évolution continue, assimilés à des « empreintes digitales » des échantillons. D'un autre côté, ce système peut être utilisé en tant qu'outil pour la conception de surfaces biomimétiques 2D et 3D. Ce système est prometteur pour l'étude des interactions sucre-protéine et pour la préparation de nanovecteurs biomimétiques qui ciblent de façon spécifique des protéines d'intérêt.