Electrochimie des nano-impacts de liposomes redox pour la détection de toxines bactériennes – ELIPOX

ELIPOX est organisé en 5 Work Packages (WPs). WP0 concerne la coordination et la gestion ; WP1, WP2 et WP3 sont expérimentaux et scientifiques ; Le WP4 concerne la diffusion. Le partenaire 1 (Univ. Nantes, CEISAM), coordinateur d'ELIPOX, sera en charge de l'ensemble des 5 Work Packages. 1 doctorant (WP1, WP2, WP3 et WP4) titulaire d'un Master en chimie analytique/physique et 4 étudiants en Master (1 par an ; WP1 et WP2) seront embauchés sur la durée d'ELIPOX (48 mois). Une libération partielle des charges d'enseignement du PI sera financée par l'ANR JCJC (64h/an sur la durée d'ELIPOX) afin de laisser du temps à la coordinatrice pour gérer son équipe et le projet sur les 5 WPs. Brièvement, la stratégie scientifique d'ELIPOX (WP1, WP2 et WP3) consiste d'abord à étudier la détection (sensibilité) de toxines commerciales et purifiées avec des liposomes redox DMPC (WP1). Ensuite, la modulation de la composition de la membrane lipidique des liposomes avec différents types et ratios de phospholipides et de cholestérol sera effectuée afin de concevoir des liposomes spécifiques pour la détection sensible et sélective des toxines cibles (WP2). La dernière tâche scientifique consistera à détecter les facteurs de virulence cibles à partir du surnageant bactérien pathogène (milieu plus complexe) de culture cellulaire (WP3).

Les résultats préliminaires (https://doi.org/10.1002/anie.202111416) ont montré un affaiblissement des liposomes redox DMPC (contenant 0,5 M K4Fe(CN)6 comme sonde redox) à une concentration submicromolaire (500 nM) de Rhamnolipide commercial (R90) après moins de 30 minutes d'incubation en solution. Des pics de courant sont apparus dans la courbe de chronoampérométrie, à la suite de l'électrolyse de la sonde redox encapsulée libérée lors de l'impact du liposome redox sur l'ultramicroélectrode. La taille et la forme de chaque pic de courant sont en accord avec la large distribution de taille du diamètre hydrodynamique des liposomes redox déterminée par des mesures de diffusion dynamique de la lumière (DLS).
Ces résultats sont actuellement étendus à la toxine delta où les premières expériences sont prometteuses et doivent être répétées pour la reproductibilité des données.

L'impact scientifique fondamental d'ELIPOX permettra d'abord de mieux comprendre le mécanisme intervenant à l'interface ultramicroélectrode / liposomes phospholipidiques lors de l'événement de collision unique. L'impact ultime d'ELIPOX est de proposer la technique de détection électrochimique la plus sensible pour l'identification sélective des toxines libérées par les bactéries pathogènes. L'idée générale à moyen et long terme est de concevoir une plateforme électrochimique permettant l'identification rapide et sélective des toxines des bactéries pathogènes par la technique électrochimique des nano-impacts uniques de liposomes redox.

L'impact économique et sociétal d'ELIPOX est évidemment de concevoir et développer un (bio)capteur électrochimique efficace pour deux des bactéries les plus importantes dans les infections nosocomiales responsables de 1 décès sur 5 dans le monde. La stratégie de détection par voie indirecte des toxines libérées par ces bactéries vivantes à un stade précoce de l'infection est un objectif ambitieux et essentiel pour les applications médicales et cliniques. Un biocapteur bon marché et facile à manipuler avec une grande efficacité (sensibilité, sélectivité, temps de test) est un objectif difficile et nécessaire pour la santé mondiale. Les recherches proposées dans ELIPOX contribueront précisément à cet effort par une stratégie prometteuse et originale avec l'électrochimie des nano-impacts de liposomes redox.

Le potentiel d'ELIPOX pour breveter et protéger les résultats sera examiné avant toute publication et dans ce cas, l'Université et d'autres services appropriés seront consultés pour avis.

Publication 1:
Recent Advances in Single Liposome Electrochemistry
H. Smida, C. Thobie-Gautier, M. Boujtita, E. Lebègue*
Current Opinion in Electrochemistry, 2022, 36, 101141.
DOI: doi.org/10.1016/j.coelec.2022.101141

ELIPOX vise à concevoir et développer un capteur électrochimique avec des hautes sensibilité et sélectivité pour détecter des facteurs de virulence sécrétés par des bactéries pathogènes.
Dans le projet ELIPOX, l’électrochimie des nano-impacts de liposomes redox sera appliquée à la détection de toxines de deux bactéries responsables d’infections nosocomiales : la d-Hémolysine de Staphylococcus aureus et la Rhamnolipide de Pseudomonas aeruginosa.
Le principe de détection électrochimique d’ELIPOX repose sur l’affaiblissement de la membrane lipidique des liposomes par l’interaction destructive des facteurs de virulence, qui mène à la rupture des liposomes et l’électrolyse du contenu redox libéré lors de l’impact à l’ultramicroélectrode.
ELIPOX s'appuie principalement sur les résultats précédents du coordinateur sur les collisions électrochimiques individuelles de liposomes redox dans le but d'étendre cette stratégie à la détection des deux toxines cibles (produites par deux bactéries pathogènes), connues pour interagir avec la membrane lipidique des liposomes.
L'hypothèse de recherche principale d'ELIPOX est basée sur les résultats précédents du coordinateur où aucun pic de courant n'a été observé dans la courbe de chronoampérométrie car les liposomes redox ne se brisent pas lors de l'impact (ou de la collision) sur la surface de l'ultramicroélectrode. En revanche, en présence des deux toxines cibles sécrétées en solution (agissant comme un tensioactif dans la membrane lipidique), des pics de courant correspondant à l'électrolyse de la sonde redox encapsulée libérée des liposomes affaiblis sont détectés.
Le principal défi d'ELIPOX sera d'optimiser et d'adapter la composition de la membrane lipidique des liposomes afin de détecter spécifiquement les deux toxines cibles et d'atteindre une sélectivité de détection élevée, ce qui est d'une importance critique pour les applications de biocapteurs.
Les résultats attendus d'ELIPOX sont la détection électrochimique avec la sensibilité la plus élevée vis-à-vis des toxines cibles (sub-micromolaires) en une analyse de courte durée (30 minutes maximum) avec une manipulation facile et une technique peu coûteuse.