Fast innovative immuno-assays exploiting magnetic nano-particle and structured micro-magnet arrays

Cette thèse présente le développement de tests immunologiques innovants, rapides et sensibles combinant des nanoparticules superparamagnétiques (SPN) fonctionnalisées et des micro-aimants : nos immuno-essais magnétiques exploitent les forts gradients de champ magnétique de ces micro-aimants pour capturer les complexes immunologiques liés aux SPN. L’attraction magnétique est souvent utilisée en biotechnologies car elle peut générér des forces capables de capturer des molécules d’intérêt. Les immuno-essais sur billes utilisent habituellement des aimants centi- et millimétriques pour capturer des micro-particules. Réduire la taille des particules magnétiques est très intéressant pour réduire les cinétiques de réactions, tout en diminuant les phénomènes de sédimentation et d’agrégation. Cette réduction d’échelle des particules permet aussi d’augmenter la surface de réaction et ainsi d’augmenter la sensibilité des tests. Cependant les aimants millimétriques génèrent des gradients faibles qui capturent difficilement les SPN, trop mobiles. Les micro-aimants de l’Institut Néel génèrent des forts gradients locaux et ainsi des forces magnétiques importantes. Ces technologies innovantes sont utilisées dans cette thèse pour développer des immuno-essais rapides tirant profit de la réduction d’échelle des particules et des aimants, par rapport aux technologies commerciales.Dans un premier temps, nous avons développé un test immunologique magnétique (MagIA) colorimétrique, comme approche innovante du test ELISA. Nous avons réalisé une preuve de concept pour la détection d’anticorps dirigé contre l’ovalbumine et comparé les résultats avec ceux de tests ELISA. Le test MagIA optimisé présente une limite de détection et une zone dynamique similaires au test ELISA développé avec les mêmes réactifs biologiques. Les micro-aimants fabriqués selon la méthode de micro-magnetic imprinting sont intégrés à bas coût dans les micro-puits des plaques multi-puits ELISA, et permettent la capture efficace des complexes immunologiques couplés aux SPN. La méthode est générique est permet de réaliser des tests ELISA en 30 minutes avec le même équipement.Nous avons ensuite développé un test magnétique immunologique avec une détection fluorescente locale tirant profit des propriétés de capture locale des SPN sur les micro-aimants. Ce test permet la quantification de la molécule d’intérêt en à peine 15 minutes sans étape de lavage. Une preuve de concept réalisée sur la détection de l’anticorps anti-ovalbumine a été réalisée, avec des anticorps de détection fluorescents et des micro-aimants fabriqués selon la méthode de thermo-magnetic patterning. La mesure différentielle entre le signal fluorescent provenant des complexes immunologiques couplés aux SPN localisées sur les micro-aimants, et le signal non spécifique (à l’extérieur des micro-aimants) permet la quantification d’une molécule. Ce test MLFIA (magnetically localized FIA) possède des performances jusqu’à 100 fois meilleures que les tests ELISA standard, pour la détection d’anticorps anti-ovalbumine en PBS. Le test MLFIA a ensuite été transféré à la détection de paramètres cliniques tels que la protéine C réactive, l'ostéopontine, et les sérologies de la toxoplasmose (IgG et IgM). La comparaison des résultats avec des méthodes automatisées a montré d’excellentes corrélations. Le test MLFIA présente plusieurs avantages : il est versatile, compatible avec les milieux biologiques, utilise de faibles volumes et requiert peu d’énergie. Ces résultats ouvrent la voie à une nouvelle génération de tests immunologiques sensibles et nous développons désormais un lecteur miniature pour le diagnostic portable.This thesis reports the development of innovative, sensitive and fast immunoassays combining functionalized superparamagnetic nanoparticles (SPN) and micro-magnets. Our magnetic immunoassays exploit high gradients generated by micro-magnets to capture immune-complexes captured on SPN. Magnetic attraction is widely used in biotechnology, because it provides long-range forces able to capture molecules of interest. Bead-based immunoassays use common centimetre-scale magnets to attract micro-particles. Those magnets generate low magnetic gradients and struggle to capture superparamagnetic nano-particles, which are too small and mobile to be efficiently trapped. Down-scaling the size of magnetic particles is very interesting since it allows diffusion-based transport to perform faster reactions, while avoiding particle sedimentation and aggregation. Furthermore, it increases the reaction surface, which improves the sensitivity of immunoassays. Thanks to the scaling law effects micro-magnets from Institut Néel generate high local gradients and therefore large magnetic volume forces: we use this innovative technology to develop fast immuno-assays that take advantage of a radical size reduction, compared to commercial technology.We first developed a colorimetric magnetic immunoassay (MagIA) as a new approach to standard ELISA. A proof-of-concept based on colorimetric quantification of anti-ovalbumin antibody in buffer was performed and compared with conventional ELISAs. After optimization, MagIA exhibits a limit of detection and dynamic range similar to ELISAs developed using the same biochemical tools. Micromagnets made by the micro-magnetic imprinting method can be fully integrated in multi-well plates at low cost, allowing the efficient capture of immuno-complexes carried by SPNs. The method is generic and performs magnetic ELISA in 30 min.We then developed a magnetically localized fluorescent immunoassay (MLFIA) exploiting the local capture of SPN on micro-magnets. The differential measurement of fluorescence localized on and besides micro-magnet arrays allows the detection and quantification of a molecule in only 15 minutes without fluid handling. We present a proof of concept based on the detection of monoclonal antibody anti-ovalbumin. Functionalized nanoparticles are incubated with fluorescent detection antibody and the sample containing the molecule to be detected. After a single incubation step, the nanoparticles are captured on micro-magnets made by thermo-magnetic patterning. Fluorescence is then read under a microscope. Differential measurement between the signal from the immunological complex localised on the micro-magnets and the non-specific signal localised besides micro-magnets allows the quantification of mAb anti-OVA. The performance of MLFIA was compared with conventional ELISA and exhibits a limit of detection up to 100 times better for anti-OVA mAb in PBS. For further validation, MLFIA was used to measure clinical parameters: we developed a sandwich assay to detect C-reactive protein, and a serology for Toxoplasma gondii immunoglobulin G and M or osteopontin in human samples. Comparisons with data obtained with routine clinical automatized methods show excellent correlation. Our MLFIA technology presents several key advantages: it is compatible with biological media (serum, plasma), uses small volumes and requires little energy. It also is versatile and thus can be used to detect any antigen or antibody in complex media. We are currently developing a portable prototype for point-of-care diagnostics. The results will open the way to a new generation of sensitive immunological lab-on-chip