Développement d’un biocapteur électrochimique à base d’ADN pour la détection de la protéine NT-proBNP, un biomarqueur de l’insuffisance cardiaque

Abstract

L’insuffisance cardiaque est une pathologie caractérisée par une incapacité du cœur à assurer une contraction efficace, entrainant en un manque d’apport sanguin vers les organes et les tissus. Cette condition concerne actuellement 6.5 millions d’Américains âgés de 20 ans et plus (1). Le diagnostic est établi à la suite d'un examen clinique approfondi, accompagné par des tests échographiques et électrocardiographiques, ainsi que des analyses sanguines permettant de quantifier les biomarqueurs circulants spécifiques pour l’IC, soit la NT-proBNP ou la BNP. Cependant, le diagnostic ainsi que le suivi de la condition dépendent fortement sur les infrastructures médicales. En effet, cette dépendance n’est pas optimale par la nécessité de visites récurrentes, souvent accompagné avec un délai entre visites, un délai de traitement et une augmentation des couts associés. Il y a donc une grande nécessité de pouvoir développer une nouvelle technologie décentralisée « point-of-care » permettant de doser les niveaux de NT-proBNP de façon simple, rapide et spécifique directement au domicile des patients. L’objectif du projet est donc de développer une telle technologie sous forme de biocapteur. Afin de réaliser ceci, deux types d’éléments de reconnaissance ont été sélectionnés parmi la littérature : un aptamère et trois anticorps spécifiques pour NT-proBNP. Un système de détection électrochimique ampérométrique a été élaboré autour de ces éléments, exploitant l’hybridation d’ADN et les réactions d’oxydoréduction médiées par le bleu de méthylène. Des phases d’optimisations sont nécessaires pour vérifier la limite de détection ainsi que la corrélation entre les concentrations en biomarqueur et le signal électrochimie générée. Le système basé sur l’aptamère suggère la détection de la protéine NT-proBNP dans le sang à une concentration de 1,269 µg/mL en moins de 10 minutes, générant un gain de signal de 314 % comparé au contrôle négatif. Ce système a permis de mettre en lumière l’influence de la composition des séquences d’ADN ainsi que la capacité de reconnaissance de l’aptamère pour NT-proBNP. Le système basé sur l’anticorps suggère la détection de NT-proBNP avec un gain de 14% dans le sang avec la même concentration. Suite à des étapes subséquentes d’optimisations, ce dernier système pourrait voir son gain de détection amélioré. Ce deuxième système a permis d’évaluer l’impact de différents attachements sur l’ADN et souligne l’importance de l’utilisation d’un détergent pour limiter les interactions non spécifiques, contribuant à l’amélioration des courants électrochimiques obtenus. En conclusion, ces travaux posent les premières étapes du développement d’un biocapteur portable qui pourrait transformer la gestion clinique de l’insuffisance cardiaque en facilitant un suivi personnalisé, continu et non invasif. Heart failure is a disease characterized by the inability of the heart to provide an effective contraction, resulting in a lack of blood supply to organs and tissues. This condition currently affects 6.5 million Americans aged 20 and over (1). The diagnosis is made following a thorough clinical examination, accompanied by ultrasound and electrocardiographic tests, as well as blood tests to quantify the circulating biomarkers specific for heart failure, either NT-proBNP or BNP. However, the diagnosis and monitoring of the condition is highly dependent on medical infrastructure. Indeed, this dependence is not optimal by the need for recurrent visits, often accompanied with a delay between visits, a treatment time and an increase in associated costs. There is therefore a great need to be able to develop a new decentralized «point-of-care» technology that allows NT-proBNP levels to be measured in a simple, fast and specific way directly at the patient’s home. The objective of the project is therefore to develop such a technology in the form of a biosensor. To achieve this, two types of recognition elements were selected from the literature: an aptamer and three antibodies specific for NT-proBNP. An amperometric electrochemical detection system was developed around these elements, exploiting DNA hybridization and methylene blue-mediated redox reactions. Optimization phases are required to verify the detection limit as well as the correlation between biomarker concentrations and the generated electrochemical signal. The aptamer-based system suggests detection of NT-proBNP protein in blood at a concentration of 1.269 μg/mL in less than 10 minutes, generating 314% signal gain compared to the negative control. This system allowed to highlight the influence of DNA sequence composition as well as aptamer recognition capacity for NT-proBNP. The antibody-based system suggests detection of NT-proBNP with a 14% gain in blood at the same concentration. Following subsequent optimization steps, the latter system could see its detection gain improved. This second system allowed to evaluate the impact of different attachments on DNA and highlights the importance of using a detergent to limit non-specific interactions, contributing to the improvement of the electrochemical currents obtained. In conclusion, this work represents the first steps in the development of a portable biosensor that could transform the clinical management of heart failure by facilitating personalized, continuous and non-invasive follow-up.