Development of disease diagnostics based on differential dynamic microscopy

Abstract

This thesis explores the potential of Differential Dynamic Microscopy (DDM) as a rapid diagnostic platform with a simplified sample preparation protocol, suitable for both laboratory use and future point-of-use (POU) applications. Focused initially on COVID-19 diagnostics, our study addresses the need for novel techniques capable of quantifying both antibody and viral loads, crucial for comprehensive patient profiling. Traditional assays like PCR and ELISA, while sensitive, are hindered by complexity and expensive equipment requirements. Two distinct DDM-based diagnostic approaches are detailed: protein biomarker quantification and Virus-Like Particle (VLP) quantification. The protein biomarker assay utilizes fluorescence imaging of probe beads, demonstrating quantification capabilities for antibodies in saliva and serum with minimal manipulation and short incubation times. This assay is adaptable to different antibodies and diseases, utilizing widely available laboratory equipment. Conversely, the VLP assay employs dark-field imaging of gold nanoparticle sensors to detect VLPs, achieving a low limit of detection in buffer and salivary samples without amplification or labeling steps. These methodologies highlight DDM's potential for broad laboratory adoption and future POC applications through equipment miniaturization. We present a versatile diagnostic platform poised to revolutionize medical diagnostics, simplifying procedures and accelerating disease detection to improve patient outcomes across diverse healthcare settings. High-throughput implementation in laboratories, including remote and resource-limited regions, is anticipated. Future directions involve clinical validation studies for assay sensitivity and specificity, exploring multiplexing capabilities, and assessing vaccine efficacy using DDM-based assays. The ongoing pursuit of miniaturized equipment aims to further enable POU applications, enhancing accessibility and efficacy in disease diagnostics and monitoring. Cette thèse explore le potentiel de la Microscopie Dynamique Différentielle (MDD) en tant que plateforme de diagnostic rapide avec un protocole simplifié de préparation des échantillons, adaptée à une utilisation en laboratoire ainsi qu'à des applications futures sur site. Axée initialement sur le diagnostic de la COVID-19, notre étude répond au besoin de techniques novatrices capables de quantifier à la fois les anticorps et les charges virales, essentielles pour un profilage complet des patients. Les méthodes traditionnelles telles que la PCR et l'ELISA, bien que sensibles, sont entravées par leur complexité et les exigences onéreuses en équipement. Deux approches diagnostiques distinctes basées sur la MDD sont détaillées : la quantification des biomarqueurs protéiques et la quantification des particules pseudo-virales (PPV). L'essai pour la détection des biomarqueurs protéiques utilise l'imagerie par fluorescence des billes sondes, démontrant des capacités de quantification des anticorps dans la salive et le sérum avec une manipulation minimale et des temps d'incubation courts. Cette méthode est adaptable à différents anticorps et maladies, utilisant des équipements de laboratoire largement disponibles. En revanche, l'essai de détection des PPV utilise l'imagerie en champ sombre des capteurs à base de nanoparticules d'or pour détecter les PPV, atteignant une faible limite de détection dans les échantillons tampon et salivaires sans étapes d'amplification ni d'étiquetage. Ces méthodologies mettent en lumière le potentiel de la MDD pour une adoption étendue en laboratoire et des futures applications sur site grâce à la miniaturisation de l'équipement. Nous présentons une plateforme de diagnostic polyvalente prête à révolutionner le diagnostic médical, simplifiant les procédures et accélérant la détection des maladies pour améliorer les résultats des patients dans divers environnements de soins de santé. Une mise en œuvre à haut débit dans les laboratoires, y compris dans les régions éloignées et à ressources limitées, est anticipée. Les orientations futures incluent des études cliniques de validation pour la sensibilité et la spécificité des essais de détection, l'exploration des capacités de multiplexage, et l'évaluation de l'efficacité des vaccins à l'aide de la technique MDD. La recherche continue d'équipements miniaturisés vise à faciliter davantage les applications sur site, améliorant ainsi l'accessibilité et l'efficacité dans le diagnostic et le suivi des maladies.