Novel antibody microarray technologies for multiplex protein analysis in complex samples

The enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) is the golden standard for the measurement of proteins, but can only detect one protein at each time in the conventional format. Antibody microarrays have been developed to accommodate thousands of micro-spots on a single slide, thus allowing multiple immunoassays to be conducted in parallel. To date antibody microarrays have been used for various applications including the discovery of protein biomarkers for a variety of cancers and other diseases. However, the relatively long assay time from hours to overnight and low multiplexing capability with a maximum of ~50 proteins for sandwich assays are still the main challenges limiting the wide use of antibody microarrays to perform immunoassays. In this dissertation, we have developed novel formats of antibody microarrays to overcome the mass transport and multiplexing limitations, and have demonstrated their use for multiple protein analysis in blood. Specifically, (i) we have developed a beads-in-gel droplet microarray (BiGDM) that encapsulates antibody coated microbeads in 3D hydrogel droplets spotted onto a glass slide. The 3D architecture and the highly porous gels help enhance mass transport of proteins during the assays; (ii) we have established a novel technology named "snap chip" to colocalize cognate capture and detection antibodies in an antibody colocalization microarray (ACM) format by transferring antibodies from microarray-to-microarray in a snap apparatus, thus improving multiplexing capability and simplifying ACM procedure; (iii) we have further improved the multiplexing capability of the snap chip by a double transfer process with improved alignment accuracy, and designed a second version of the portable and convenient-to-use snap apparatus; (iv) we have finally used the snap chip for a serial analysis of multiple proteins in sera during the progression of human breast tumor in a mouse model. The novel antibody microarrays reported in this dissertation have introduced new avenues to overcome mass transport and multiplexing challenges in conventional microarrays, and their use in the detection of multiple proteins in blood indicates that they are promising technologies for the discovery and validation of protein biomarkers for a variety of diseases including notably cancer.Le dosage d'immunoadsorption par enzyme liée (en anglais, ELISA) est le standard de la mesure de la concentration de protéines, mais il ne peut que détecter une seule protéine à la fois. Les micro-puces à anticorps ont été développées afin d'accommoder des milliers de micro-points sur une seule lamelle, permettant ainsi de faire plusieurs immunoessais en parallèle. Jusqu'à maintenant, les micro-puces à anticorps ont été utilisées pour diverses applications incluant la découverte de biomarqueurs pour un certain nombres de cancers et autres maladies. Cependant, le temps requis pour l'essai qui varie entre plusieurs heures jusqu'à une journée, et la basse capacité de multiplexer avec un maximum de ~50 protéines pour les immunoessais sandwich, sont encore les difficultés qui limitent l'adoption des micro-puces à anticorps pour faire des immunoessais.Dans cette thèse, nous avons développé de nouveaux formats de micro-puces à anticorps qui surmontent les limites de transport de masses et du multiplexage, et avons démontré leur utilisation dans la mesure de plusieurs protéines dans le sang. Spécifiquement, (i) nous avons développé un format de micro-puces de billes-en-gel (en anglais, BiGDM) qui encapsule des micro-billes enrobées d'anticorps dans des gouttes d'hydrogel 3D qui sont ensuite imprimées sur une lamelle de verre. L'architecture 3D et l'hydrogel poreux aident à améliorer le transport de masses des protéines pendant les essais; (ii) nous avons établi une nouvelle technologie apellée "snap chip" pour co-localiser les anticorps de capture et de détection correspondants dans un format de micro-puce à anticorps co-localisé (en anglais, ACM) en transférant les anticorps d'une micro-puce à l'autre grâce à un mécanisme à pression, améliorant ainsi la capacité de multiplexage et simplifiant la procédure de l'ACM; (iii) nous avons encore amélioré la capacité de multiplexage du "snap chip" par un nouveau procédé de double transfert qui possède une précision améliorée, et développé une deuxième version du mécanisme à pression qui est portable et facile d'utilisation; (iv) nous avons finalement utilisé le "snap chip" pour la mesure de plusieurs protéines dans des séries de plusieurs échantillons de sérum pendant la progression de tumeurs du sein humain dans un modèle de souris.Les nouveaux formats de micro-puces à anticorps décrits dans cette thèse ont ouverts de nouvelles avenues pour surmonter les difficultés de multiplexage et transport de masses des formats de micro-puces conventionnels, et leur utilisation pour la détection de plusieurs protéines dans le sang indique que ces technologies prometteuses pourront servir à la découverte et à la validation de protéines biomarqueurs pour diverses maladies incluant le cancer