Novel, universal electrochemical DNA-based signaling mechanisms for molecular detection in a drop of blood

Autor: Zhu, Guichi
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2022
Předmět:
Druh dokumentu: Diplomová práce
Popis: Une percée majeure aura lieu dans le domaine de la santé lorsque les patients pourront surveiller les molécules indicatives de leurs conditions médicales dans le confort de leur salon. L’efficacité d’une telle stratégie a déjà été validée par des millions de patients diabétiques via l’utilisation du glucomètre. Toutefois, des technologies de détection similaires restent à être développées pour améliorer le traitement de d’autres maladies chroniques. Les capteurs électrochimiques à base d’ADN (capteurs eDNA) ont récemment attiré beaucoup d’attention grâce à leur capacité à détecter plusieurs marqueurs moléculaires dans le sang tout en utilisant un dispositif bon marché et facile d’utilisation. Dans ce type de capteurs, l’ADN est typiquement employé comme élément de reconnaissance ou pour concevoir le mécanisme de signalisation permettant de capturer des cibles moléculaires spécifiques et traduire cet événement de liaison en un signal électrochimique. Des défis particuliers, toutefois, limitent toujours la commercialisation des capteurs eDNA. Par exemple, la plupart de ces capteurs produisent encore d’importantes variations non spécifiques du courant électrique lorsque plongés dans un échantillon de sang. De plus, ces capteurs demeurent sensibles au processus de fabrication et au vieillissement, et nécessitent des modifications chimiques complexes et un long processus d’optimisation pour leur mise au point. L’objectif principal de ma thèse consiste à régler ces limitations via le développement de nouveaux mécanismes de signalisation plus performants. Dans le chapitre 2, nous introduisons un nouveau type de capteurs eDNA basé sur l’hybridation d’ADN que nous avons nommé « essaie d’hybridation électrochimique par encombrement stérique et inhibition rédox (eSHRI) ». Ce mécanisme de signalisation potentiellement universel intègre trois niveaux d’encombrement stérique et un nouveau mécanisme d’inhibition rédox par contact. Nous avons démontré que le eSHRI peut détecter et quantifier de faibles concentrations (nanomolaire) de protéines dans une goutte de sang en moins de 3 min via une diminution de signal électrique allant jusqu’à -93.6 ± 1.36 % du signal initial. De plus, l’essai d’hybridation eSHRI demeure essentiellement indépendant de la densité du brin de capture à la surface de l’électrode et donc insensible aux variations lors de la fabrication et du vieillissement du capteur. Malgré ses caractéristiques impressionnantes, le eSHRI requiert généralement des modifications chimiques complexes pour attacher l’élément de reconnaissance et l’élément rédox à la même extrémité du brin d’ADN. Ainsi, dans le chapitre 3, nous avons développé un nouveau mécanisme de signalisation potentiellement universel, l’essaie de barrière moléculaire, qui nécessite uniquement une modification par brin d’ADN. Dans cet essai, l’élément de reconnaissance et l’élément rédox sont respectivement conjugués à l’ADN de capture (surface de l’électrode) et l’ADN de signalisation (libre en solution). L’essai fonctionne via la formation d’une barrière moléculaire utilisant l’analyte à détecter, une protéine. Lorsque cette dernière se lie à la surface du capteur, cela réduit l’efficacité d’hybridation entre l’ADN de signalisation et l’ADN de capture. En utilisant ce nouveau capteur, nous avons démontré la détection de deux protéines, la streptavidine et un anticorps, directement dans une goutte de sang. Ces dernières années, les anticorps à base d’ADN, nommés aptamères, ont considérablement augmenté notre capacité à détecter des analytes cliniquement pertinents. Toutefois, les capteurs eDNA à base d’aptamères nécessitent un long processus de développement et d’optimisation, et demeurent très dépendants de la densité de surface tout en présentant d’importantes variations de signal lorsqu'ils sont déployés dans le sang. Dans le chapitre 4, nous introduisons un essai simple, hautement modulable et universel qui emploie une chimie dynamique constitutionnelle (CDC) cinétiquement programmée. Cet essai fonctionne en programmant la cinétique de trois réactions concurrentes permettant la détection moléculaire directement dans une goutte de sang. Nous avons démontré que cet essai est potentiellement universel en détectant quantitativement quatre marqueurs moléculaires : la quinine, l’ATP, la thrombine et la PDGF. Nous avons également démontré le potentiel de ce nouveau capteur en exécutant un suivi direct de la quinine dans le sang de souris vivantes. En sommes, nous croyons que ces nouveaux mécanismes de signalisation permettent de résoudre les principales limitations des capteurs eDNA actuels et présentent toutes les caractéristiques pour être développés en dispositifs commercialisables analogues aux glucomètres.
A breakthrough will occur in the healthcare system when patients are allowed to monitor blood molecules indicative of their condition in the comfort of their home. Such an objective has already been realized for diabetic patients through the development of the glucometer. Similar sensors urgently need to be developed to improve the monitoring and treatment of other chronic conditions. Electrochemical DNA-based sensors (eDNA sensors) have recently attracted increasing attention due to their ability to detect multiple blood markers using low-cost and easy-to-use devices. In eDNA sensors, DNA is typically employed either as a recognition element or to design a signaling mechanism that captures specific target molecules and transduces this binding event into an electrochemical signal. Specific challenges, however, limit the commercialization process of eDNA sensors. For example, most eDNA sensors exhibit strong baseline drift when employed in blood, remain sensitive to fabrication processes and aging, and require complex chemical modification and time-consuming optimization processes. The main objective of my Ph.D. project was to solve these limitations through the development of novel improved signaling mechanisms. Chapter 2 introduces a novel hybridization-based eDNA sensing architecture called electrochemical steric hindrance and redox inhibition (eSHRI) hybridization assay. This potentially universal signaling mechanism integrates three levels of steric hindrance and a novel contact redox inhibition mechanism. We have shown that eSHRI can detect low nanomolar concentrations of protein analytes in a drop of blood in less than 3 min with up to -93.6 ± 1.36 % in signal gain. Moreover, the eSHRI hybridization assay remains primarily independent of the sensor density on the surface of the electrode and thus insensitive towards variations in fabrication or aging time. Despite its impressive characteristics, eSHRI may see its universality limited by the complicated chemical modifications required to attach both the recognition element and the redox molecule on the same extremity of a DNA strand. In response, in chapter 3, we develop a novel, potentially universal signaling mechanism, the molecular barrier-based assay, that only requires a single modification of its DNA strands. In this assay, the recognition element and redox molecule are conjugated to the surface-attached capturing DNA and the free-moving signaling DNA. The assay works by having the protein analytes create a molecular barrier upon binding to the sensor surface, reducing the hybridization efficiency between the capturing DNA and the signaling DNA. Using this novel sensor, we have demonstrated the detection of two proteins, streptavidin and antibody, directly in a drop of blood. DNA-based antibodies, called aptamers, have drastically expanded our ability to detect a large proportion of clinically relevant analytes in recent years. However, the development of aptamer-based eDNA sensors still requires a long optimization process, remains highly dependent on specific surface densities, and displays significant signal drift when deployed in the blood. In response, we present in chapter 4 a simple, highly modular, universal assay that employs kinetically programmed constitutional dynamical chemistry (CDC). This assay works by programming the kinetics of three competing reactions to enable molecular detection directly in a drop of blood. We show that this assay is potentially universal by demonstrating the quantitative detection of four molecular markers: quinine, adenosine triphosphate (ATP), thrombin, and platelet-derived growth factor (PDGF). We further show the point-of-care potential of this new sensor by performing direct quinine monitoring in living mouse blood. Overall, we believe that these new sensing mechanisms solve the main weaknesses of current eDNA sensors and display all the characteristics required for the development of commercialized devices analogous to glucose meters.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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