Imagerie biomédicale multiparamétrique « label-free » basée sur les ondes de surface à cristaux photoniques. – FreeBioWave

Le projet a reposé sur la complémentarité des expertises du Laboratoire de Recherche en Nanosciences de l'Université de Reims Champagne-Ardenne et de l'Unité de Sciences Biologiques et Biotechnologies de Nantes Université.

Les travaux ont été organisés autour de quatre volets principaux : le développement du prototype FreeBioWave et des puces à cristaux photoniques, la production des biomolécules d'intérêt, la fonctionnalisation des surfaces de détection et la validation analytique du système.

Les équips ont développé des puces capables d'immobiliser protéines, peptides, anticorps et oligonucléotides afin de suivre simultanément de nombreuses interactions biomoléculaires. Les protéines RAD51 sauvages et mutées, des anticorps phospho-spécifiques ainsi que différents peptides phosphorylés ont été produits et caractérisés pour servir de modèles biologiques.

L'intégration d'un système microfluidique et d'outils d'imagerie a permis d'obtenir en temps réel des données quantitatives et cinétiques sur les interactions moléculaires. Les performances du dispositif ont été évaluées puis comparées aux technologies de référence de type SPRi grâce aux équipements de la plateforme IMPACT de Nantes Université.

Le projet a abouti à la mise au point d'un prototype opérationnel d'imagerie sans marquage basé sur les cristaux photoniques. Les protocoles de fonctionnalisation développés ont permis la réalisation de biopuces multiplexées adaptées à l'analyse simultanée de nombreuses interactions biomoléculaires.

Une preuve de concept a été obtenue grâce à la détection multiplexée d'interactions protéine-protéine, protéine-peptide et protéine-anticorps impliquant notamment RAD51 et ses formes phosphorylées. Les résultats ont démontré une excellente spécificité ainsi qu'une sensibilité de détection de l'ordre du femtogramme, supérieure à celle des approches conventionnelles basées sur la SPR.

Le projet a également permis la constitution d'un ensemble original d'outils biologiques comprenant protéines recombinantes et modèles moléculaires dédiés à l'étude de la réparation de l'ADN. Les résultats obtenus ont donné lieu à plusieurs publications scientifiques, communications internationales et travaux de thèse.

Les résultats de FreeBioWave ouvrent des perspectives importantes pour le développement de nouvelles plateformes de biodétection à haut débit destinées au diagnostic, au suivi thérapeutique et à la médecine personnalisée. Les performances obtenues laissent envisager l'analyse simultanée de milliers d'interactions biomoléculaires sur une même biopuce.

La technologie pourra être appliquée à l'étude de nombreux biomarqueurs impliqués dans le cancer, les maladies infectieuses ou les pathologies inflammatoires. Elle présente également un fort potentiel pour le criblage de molécules thérapeutiques et l'étude des mécanismes moléculaires impliqués dans la stabilité du génome.

Enfin, les collaborations établies entre nanophotonique et biologie moléculaire constituent un socle solide pour de futurs projets académiques et partenariats industriels visant à valoriser cette technologie innovante dans le domaine des technologies pour la santé.

La reconnaissance multiparamétrique de biomarqueurs label-free en temps réel à haute sensibilité associées à des données cinétiques est un paradigme du diagnostic in vitro moderne. De nos jours, deux types de capteurs optiques label-free ont été décrits, l’un basé sur la résonance plasmonique de surface (SPR) dans les films d'îlots métalliques et l’autre utilisant des ondes de surface (SW) dans des cristaux photoniques (PC). Ces capteurs peuvent détecter simultanément jusqu'à dix types de biomolécules à la surface d'une biopuce pré-préparée . Le développement de la technique d'imagerie SPR (SPRi) a permis d'augmenter le nombre de points de détection dans un réseau bidimensionnel (2D). A la surface de la biopuce, un faisceau lumineux parallèle et les changements dans la réflexion de tous les sites sont enregistrés simultanément en temps réel. Un ligand spécifique peut alors interagir et être détecté à sa cible. Cela permet de mesurer simultanément des milliers, voire des dizaines de milliers d'événements d'interaction. Toutefois, la faiblesse majeure de ces techniques SPR est la décroissance rapide du signal lors de la propagation sur un film métallique ce qui limite la sensibilité des capteurs basés sur SPR et des systèmes SPRi. Contrairement au principe SPR, les biocapteurs utilisant des SW PC présentent une couche externe constituée d'un diélectrique qui facilite la propagation de l’onde de surface. Cette propagation à longue distance conduit à une sensibilité plus élevée que les supports SPR. À l'heure actuelle, aucune approche d'imagerie 2D basée sur les capteurs PC n’a été proposée.

Le projet FreeBioWave vise à développer un biocapteur d'imagerie label-free pour une visualisation 2D basée sur la détection des modes de surface (SM) des PC dans le cadre d’une plateforme d'immuno-analyse multiplexe pour l'analyse rapide, sensible et fiable d'échantillons de fluide humain. Cette technologie au-delà de l'état de l'art, introduit de nouvelles approches de détection par PC SM.
Les PC sont des matériaux caractérisés par une modulation périodique de leurs indices de réfraction (IR) à l'échelle de la longueur d'onde de la lumière. Ces structures photoniques ont des SM qui prennent en charge la propagation à longue distance des ondes optiques liées à la surface extérieure. Les PC SM sont utilisés dans de nombreuses applications dans le domaine des capteurs optiques où ils ont été signalés comme ayant une meilleure sensibilité que les capteurs basés sur SPR. La détection des deux polarisations est possible dans l'approche PC SM. Il permet un enregistrement séparé de l'épaisseur de la couche intermédiaire et du RI, de sorte que le signal spécifique reflète l'association de l'analyte à la surface du capteur indépendamment des variations du RI.

Les objectifs du projet FreeBioWave sont:
- Le développement du prototype du système multiparamétrique label-free d'imagerie basé sur l'excitation des PC SM, 10 fois plus sensible que les systèmes d'imagerie SPR existants;
- Le développement des technologies FreeBioWave pour l'imagerie quantitative label-free de biomarqueurs protéiques, d’anticorps, de phosphoprotéines et d’oligonucléotides;
- La démonstration de la sensibilité révolutionnaire de FreeBioWave dans la détection multiparamétrique quantitative de biomarqueurs protéiques, d'anticorps, de phosphoprotéines et d'oligonucléotides garantissant au moins un ordre de grandeur de sensibilité d'imagerie supérieure à celle fournie par la technologie d'imagerie SPR.
Enfin, le projet FreeBioWave développera une modification d'imagerie des capteurs SW PC permettant de détecter et mesurer jusqu'à 2 000 réactions simultanément à la surface d'une biopuce.
Dernier point mais non des moindres, le projet FreeBioWave répond parfaitement aux questions de recherche couvertes par le thème de recherche - Technologies pour la santé - qui inclut, comme directions principales, la biodétection et l'instrumentation pour la surveillance.