Implantable microelectrode biosensors for neurochemical monitoring of brain functioning

par Natalia Vasylieva

Thèse de doctorat en Micro et nano technologies

Sous la direction de Daniel Barbier et de Stéphane Marinesco.

Soutenue le 11-09-2012

à Lyon, INSA en cotutelle avec l'INSA de Lyon , dans le cadre de École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique (Lyon) , en partenariat avec INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (laboratoire) .

Le président du jury était Elyane Souteyrand.

Le jury était composé de Daniel Barbier, Stéphane Marinesco, Elyane Souteyrand, Christian Amatore, Olivier Frey, Pierre Temple Boyer, Alain Walcarius.

Les rapporteurs étaient Christian Amatore, Olivier Frey, Pierre Temple Boyer.

  • Titre traduit

    Microcapteurs implantables pour le suivi neurochimique de fonctionnement du cerveau


  • Résumé

    Les microcapteurs implantables sont des outils de choix pour l’étude du système nerveux central. Ils permettent d’analyser en temps réel la composition du milieu interstitiel du cerveau et les variations de concentration de neurotransmetteurs et de substrats métaboliques dans l’espace extracellulaire. La procédure d’immobilisation de l’enzyme sur l’électrode est une étape cruciale déterminant les performances du biocapteur. Nous avons développé une méthode d’immobilisation simple, non-toxique et peu chère en utilisant une molécule de poly(ethyleneglycol) diglycidyl éther (PEGDE) qui répond bien aux critères des applications cliniques. La méthode a été étudiée et optimisée sur trois enzyme: la Glucose oxydase, la D-amino acide oxydase et la Glutamate oxydase. Les capteurs développés se caractérisent par une forte sensibilité et un temps de réponse suffisamment court pour la détection des événements biologiques en temps réel. Les capteurs à base de PEGDE ont démontrés une bonne stabilité dans le temps et leur capacité de suivre en temps réel la variation de concentration de glucose dans le SNC du rat suite à l’injection d’insuline ou de glucose. Nous avons également adapté les méthodes d’immobilisation d’enzyme les plus utilisées dans le domaine des neurosciences: immobilisation par réticulation dans des vapeurs de Glutaraldéhyde ou par PEGDE, piégeage dans une matrice de sol-gel ou de polypyrrole dérivé, ou immobilisation dans une matrice d’hydrogel. Nous avons comparé les biocapteurs ainsi obtenus en termes de sensibilité, de stabilité in vivo, de temps de réponse et aussi de toxicité. Cette étude comparative nous a permis de conclure que le PEGDE représente un procédé d’immobilisation optimal car il ne demande pas de synthèse organique, contrairement à l’hydrogel, il n’est pas toxique contrairement au glutaraldehyde et il assure une immobilisation covalente plus stable que le piégeage dans des sol-gel ou polypyrrole. Cette étude comparative a mis également en évidence l’effet de la procédure de fixation de l’enzyme sur la spécificité du biocapteur. Nous avons montré que l’immobilisation par glutaraldehyde provoque une importante perte de sélectivité de l’enzyme. Quant au PEGDE, son immobilisation est assez douce pour préserver la spécificité naturelle de l’enzyme. Nous avons montré que la procédure d’immobilisation a un impact important sur la quantification des molécules dans les échantillons biologiques et in vivo. La validité des mesures sur nos capteurs a été contrôlée par HPLC ou électrophorèse capillaire. Nous avons également développé des sondes multisensibles en utilisant les techniques de microfabrication sur silicium. Le dispositif comporte une aiguille de 6mm en longueur, 100µm en largeur et 50 µm en épaisseur. Elle porte trois électrodes de taille 40x200µm. Ces dispositifs, optimisés pour réduire les effets d’interférence entre les électrodes, ont été pour le suivi simultané de glucose et lactate dans le SNC de rats anesthésiés.


  • Résumé

    Identification, monitoring and quantification of biomolecules in the CNS is a field of growing interest for identifying biomarkers of neurological diseases. In this thesis, silicon needle-shaped multi-molecules sensing microprobes were developed. Our microelectrode array design comprises a needle length of 6mm with 100x50 µm2 cross-section bearing three platinum electrodes with a size of 40x200 µm and 200µm spacing between them. We have used these microprobes for simultaneous glucose and lactate monitoring, using the third electrode for control of non-specific current variations. Local microdroplet protein deposition on the electrode surface was achieved using a pneumatic picopump injection system. Enzyme immobilization on the electrode surface is a key step in microelectrode biosensor fabrication. We have developed a simple, low cost, non-toxic enzyme immobilization method employing poly(ethyleneglycol) diglycidyl ether (PEGDE). Successful biosensor fabrication was demonstrated with glucose oxidase, D-amino acid oxidase, and glutamate oxidase. We found that these biosensors exhibited high sensitivity and short response time sufficient for observing biological events in vivo on a second-by-second timescale. PEGDE-based biosensors demonstrated an excellent long-term stability and reliably monitored changes in brain glucose levels induced by sequential administration of insulin and glucose solution. We then carried out a comparative study of five enzyme immobilization procedures commonly used in Neuroscience: covalent immobilization by cross-linking using glutaraldehyde, PEGDE, or a hydrogel matrix and enzyme entrapment in a sol-gel or polypyrrole-derived matrices. Enzymatic microelectrodes prepared using these different procedures were compared in terms of sensitivity, response time, linear range, apparent Michaelis-Menten constant, stability and selectivity. We conclude that PEGDE and sol-gel techniques are potentially promising procedures for in vivo laboratory studies. The comparative study also revealed that glutaraldehyde significantly decreased enzyme selectivity while PEGDE preserved it. The effects that immobilization can have on enzyme substrate specificity, produce dramatic consequences on glutamate detection in complex biological samples and in the CNS. Our biosensor’s results were systematically controlled by HPLC or capillary electrophoresis. The highly selective PEGDE-based biosensors allowed accurate measurements glutamate concentrations in the anesthetized and awaked rats at physiological conditions and under pharmacological and electrical stimulations. The microfabricated multielectrodes based on silicon needles coupled to the simple, non-toxic and mild immobilization method based on PEGDE, open new possibilities for specific neurotransmitter detection in the central nervous system and the study of cell-cell communication in vivo.


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