Developement of a hybrid microbead based technology for IgE antibody detection : towards allergy diagnosis

Les allergies représentent un enjeu sociétal majeur dans nos sociétés modernes. Les outils de diagnostics actuels permettent la mesure de concentration d’anticorps spécifiques IgE responsables des réactions allergiques contenus dans le sérum de patient. L’intégration de nano-micro particules diminue les distances de diffusion permettant de miniaturiser les dispositifs, de diminuer le temps de réaction et d’améliorer l’efficacité du diagnostic. C’est dans cette perspective que cette thèse se positionne en développant une méthode innovante de détection des anticorps IgE par l’utilisation de microbilles polystyrènes 10µm (PS) et superparamagnétiques 1µm (SPM).L’idée explorée dans cette thèse est d’utiliser les microbilles PS comme support d’immunodosage et les propriétés magnétiques des microbilles SPM en réalisant un tri magnétique des microbilles PS. Nous avons développé cette technologie en trois étapes technologiques distinctes. Premièrement, la bio-fonctionnalisation a permis le greffage des allergènes et des anticorps à la surface des microbilles qui réagissent ensuite avec le sérum de patient. Puis, le tri magnétique a été développé pour isoler les microbilles PS en fonction de la présence ou non d’anticorps IgE à leur surface. L’efficacité de ce procédé est proportionnelle à la quantité d’IgE par microbilles. Finalement une technologie d’auto-assemblage de microbilles appelées « assemblage gravitationnel » a été développé en exploitant avantageusement les phénomènes de sédimentation et de capillarité. Il a été montré que cette technologie complémentaire à la technologie d’assemblage capillaire étend le domaine de l’assemblage à des systèmes de suspensions colloïdales denses. De plus, cette technologie permet d’atteindre une limite de détection de 2 microbilles/ml.Des tests cliniques ont été réalisés avec succès à partir de sérums de patient sensibles à l’arachide, à la noisette et à la crevette. Le temps de procédé, la limite de détection et la dynamique de détection ont été optimisés. La preuve de concept de détection des anticorps IgE a été présentée et ouvre la voie vers le diagnostic d’allergies multiplexe.Allergies represent a major social issue for modern societies. Current diagnostic tools enables to measure the concentration of specific IgE antibodies responsible for allergic response into the patient’s serum. The use of nano-micro particles decreases diffusion distances in order to shrink the size of device, reduce the length of time reaction and improve diagnostic efficiency. In this perspective, the PhD work develop an innovative method to detect IgE antibodies by using both 10µm polystyrene (PS) and 1µm superparamagnetic (SPM) microbeads.The PhD explores the idea of using both PS microbeads as support of immunoassay and magnetic properties of SPM microbeads in order to perform a magnetic sorting of PS microbeads. We have developped this technology in 3 different technological steps. First, biofunctionnalization is used to link allergens and antibodies onto the surface of microbeads intended to react with serum patient. Then, the magnetic sorting has been developped to isolate PS microbeads depending on the presence / absence of IgE antibodies onto their surface. The efficiency of such a process is proportional to IgE quantity per microbeads. Finally, a self-assembly process of microbeads called « gravitational assembly » has been developped by studying sedimentation and capillary phenomenon. It has been shown that this complementary technology to the capillary assembly technology extend the scope of assembly to dense system of colloidal suspension. I addition, this technology reaches a detection limit of 2 microbeads per ml.Clinical trials have been succesfully performed from serum patient allergic to peanut, hazelnut or shrimp. The process time, detection limit and dynamic range of the detection system have been studied and optimized. The proof of concept of IgE antibodies detection have been presented and points the way towards the multiplex diagnosis of allergies