Stéphane Arbault, Neso Sojic, Alexander Kuhn, Laurent Bouffier, Patrick Garrigue

Dans cette thématique nos activités de recherche sont consacrées à la mise au point, en collaboration avec biologistes et cliniciens, de méthodes et de capteurs pour la détection de phénomènes biologiques dans le but d'élucider les mécanismes métaboliques ou génétiques fondamentaux. Nous développons des capteurs électrochimiques et optoélectrochimiques de dimensions et structuration micro- ou nanométriques adaptées à la taille de l'entité biologique étudiée (tissu, cellule unique, membrane, organelle, ADN isolé) et de la précision de localisation requise.

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Schéma décrivant les applications des micro-capteurs à l'échelle nanométrique pour la détection d'espèces bioactives.


1. Détection électrochimique de métabolites issus de mitochondries

Un projet en cours de réalisation est notamment axé sur le suivi des espèces issues du métabolisme respiratoire et énergétique y compris l'oxygène lui-même, l'ATP ou les dérivés réactifs de l'oxygène et de l'azote (ROS et RNS) . Ces derniers sont produits au cours de l'oxydation et des processus de stress nitrosant. Leur détection est d'un intérêt majeur pour élucider les mécanismes neurodégénératifs ou cancérogènes. Pour ce faire, des nanoparticules ou des microélectrodes/optoelectrodes modifiées par des enzymes sont élaborées afin de mesurer sélectivement chaque espèces consommées ou libérées par les cellules ou par les mitochondries. En particulier, nous quantifions le rapport entre l’O2 et le H2O2 libérés par la respiration mitochondriale dans les conditions physiologiques de signalisation et dans des situations de stress oxydatif. Une combinaison des approches électrochimiques et spectrophotométriques (cf. Imagerie multi-échelles) nous fournit des signatures spectrales pertinentes mais également la possibilité de suivre la distribution spatiale des espèces correspondantes (généralement d'une source intracellulaire vers une sécrétion extracellulaire). 

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2. Réseaux électrochimiques

Les capteurs sont également intégrés dans des microsystèmes dans le but de combiner in situ la culture de cellules ou d’organites isolés, leur stimulation et la détection de réactions biologiques. En particulier, nous avons montré que la micro-ou nano-structuration rationnelle de la surface (dépôts de platine hautement organisés méso-macroporeux) de ces dispositifs permet de réduire considérablement le bruit de mesure et donc permet de mesurer des signaux tels les potentiels d'action, qui, sans cela, ne seraient pas détectables (cf. figure ci-dessous). Ces bio-MEMS optimisés trouvent alors potentiellement une utilisation clinique ainsi que des applications dans le domaine du diagnostic.

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Enregistrement de l'activité neuronale avec bruit de fond réduit par utilisation de MEA mésoporeux. a) Cellules de moelle épinière cérébrale (E13.5) sur un MEA mésoporeux 4x15. b) Exemple d'enregistrement en réseau étendu de l'activité rythmique correspondante montrant deux vagues. c) Gros plan sur le signal brut correspondant aux deux canaux mis en évidence dans b). Chaque émission est composée d'un potentiel local de champ sur laquelle une rafale de pointes est superposée. d) Signaux identiques à c) après filtrage haut ne montrant que les salves de pointes. e) Signaux identiques à d) mais superposés sur le bruit de fond des mêmes micro-électrodes avant modification de la porosité. Cela montre que l'activité de rupture n'aurait pas été détectée par ces électrodes planes non modifiées.


3. Biocapteurs ADN

Le développement de biocapteurs ADN constitue un domaine de recherche en constante expension depuis des décennies compte tenu du besoin constant de nouvelles technologies pour le diagnostic médical et les tests biochimiques . Différentes approches analytiques, y compris l'optique ou la spectroscopie, sont généralement utilisées pour détecter des phénomènes d'hybridation de l'ADN. Cependant l'électrochimie est très souvent considérée comme une technique alternative pratique. Dans ce contexte, une voie particulièrement intéressante de marquage de l’ADN, ne nécessitant pas de dérivation chimique du brin complémentaire, implique l'utilisation de petites molécules interagissant directement et sélectivement avec le duplex que sont les agents intercalants. Ces composés naturels ou synthétiques, d’ores et déjà étudiés en tant que médicaments pour leurs applications anticancéreuses potentielles, sont désormais considérés comme des outils intéressants pour la détection d'ADN en particulier lorsqu’ils sont redox-actifs. Nous développons actuellement une voie de synthèse d’agents intercalants de type pyridoacridine et nous en étudions les propriétés spectro-électrochimiques pour parvenir à déterminer des modes de détection multiples basés sur un transfert électronique ADN-dépendant mais aussi sur la fluorescence in situ ou la spectroscopie Raman sous contrôle électrochimique.

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Principe de synthèse d’agents intercalants de l’ADN à partir d'une acridine commerciale(à gauche); Détection électrochimique et par fluorescence de l'hybridation d'ADN sur des réseaux de microélectrodes (à droite).