Eén-stap aptameerselectie op een digitale lab-on-a-chip.

Door de jaren heen hebben biosensoren een enorme vooruitgang geboekt met een veelvoud aan toepassingen op het gebied van biowetenschappen, medische diagnostiek en industriële processen. Heel wat onderzoek richtte zich hierbij op het verbeteren van de analytische gevoeligheid, tot zelfs op het niveau van individuele moleculen. Dergelijke ultragevoelige detectieplatformen zijn zeer waardevol voor de vroegtijdige detectie van ziektemerkers die in lage hoeveelheden aanwezig zijn in bijvoorbeeld bloed. Een belangrijk onderdeel van deze gevoelige detectieplatformen zijn de partikel-gebaseerde microputjesroosters waarin individuele doelwitmoleculen gevangen worden.

Het succes van de ultragevoelige partikel-gebaseerde microputjestechnologie wordt bevestigd door de huidige commerciële toepassingen: de BeadArray™ van Illumina en de SiMoA™ van Quanterix worden respectievelijk gebruikt voor nucleïnezuuranalyse en proteïnemetingen. Het succes van deze toepassingen steunt op de hoge zaai-efficiëntie van de magnetische partikels in een hydrofiel-in-hydrofoob (HIH) microputjesroosters. De fabricatie van deze roosters is echter complex en arbeidsintensief waardoor er nood is aan eenvoudigere fabricatiemethodes.

Daarnaast zijn de huidige systemen met partikel-gebaseerde microputjesroosters beperkt tot het detecteren van doelwitten en laten ze niet toe om individuele partikels te manipuleren. Hoewel er reeds verschillende partikel-gebaseerde vang-en-vrijgave-systemen ontwikkeld zijn voor het manipuleren van interessante doelwitten, zijn deze gelimiteerd tot het gelijktijdig of sequentieel vrijgeven van de partikels. Deze systemen vereisen dus een geïntegreerde sorteereenheid die partikels met interessante doelwitten kan scheiden van de andere partikels. Er is dus nood aan een multifunctioneel ultragevoelig partikel-gebaseerd vang-en-vrijgave-systeem dat zowel detectie als manipulatie van interessante doelwitten toelaat. Een dergelijk platform heeft een enorme meerwaarde voor onder meer de studie van cel-heterogeniteit in een populatie, het onderzoek naar resistente bacteriën en de ontwikkeling van medicijnen en antilichaamtherapieën.

Het doel van dit doctoraat is: (i) om een multifunctioneel platform te ontwikkelen dat toelaat zowel doelwitten te detecteren als te manipuleren via de integratie van een optisch pincet in een digitaal microfluidisch microputjesrooster en (ii) het evalueren van een innovatieve en snellere methode voor HIH-microputjesroosterfabricatie.

Het eerste deel van dit werk focuste op de integratie van een optisch pincet met een ‘electrowetting-on-dielectric’-gebaseerd digitaal microfluidisch microputjesrooster voor het manipuleren van individuele magnetische partikels in de microputjes. Voor het succesvol optisch manipuleren van gezaaide partikels is Brownse beweging noodzakelijk. Om een grote fractie partikels met Brownse beweging te verkrijgen, werd gebruik gemaakt van een optimaal experimenteel ontwerp waarbij optimale buffercondities bestudeerd en geïdentificeerd werden. Zes verschillende bufferparameters, waaronder type partikel, ionische buffersterkte, pH, type en concentratie niet-ionische detergent werden onderzocht. Dit experiment toonde aan dat verschillende partikels een andere optimale bufferconditie hebben. Uit de analyse bleek ook dat Tween 40 en Tween 60 de beste niet-ionische detergenten waren. Gebruikmakend van deze optimale buffercondities werden verschillende partikelmanipulaties succesvol uitgevoerd, waaronder vrijgave, vangen, transporteren en verplaatsen naar een andere locatie.

In het tweede deel van dit werk werd het potentieel van een innovatief hydrofoob off-stoichiometrisch-thiol-ene-epoxy polymeer nagegaan voor de fabricatie van HIH-microputjesroosters door middel van een stempel-techniek. Met deze methode werden HIH-microputjesroosters ontwikkeld met uitmuntende dimensies en topologische kenmerken die het mogelijk maken om heel efficiënt magnetische partikels te zaaien. Gebruikmakend van streptavidine-biotine-interacties en β–galactosidase werd een digitale bioassay gerealiseerd met een detectielimiet van 17.4 attomolair, wat het potentieel van deze gestempelde microputjesroosters aantoont voor diagnostische doeleinden. Op basis van de behaalde resultaten kunnen we besluiten dat het innovatief hydrofoob off-stoichiometrisch-thiol-ene-epoxy polymeer en de integratie van een optisch pincet met een ‘electrowetting-on-dielectric’-gebaseerd microfluidisch microputjes-rooster een enorm potentieel heeft voor de ontwikkeling van nieuwe commerciële digitale ELISAs en partikel-gebaseerde vang-en-vrijgave-systemen.