Développement d'un dispositif portable pour la quantification de la troponine en situation d'urgence cardiaque

by Maud Savonnet

Thesis project in Physique pour les Sciences du Vivant

Under the supervision of Arnaud Buhot and Myriam Cubizolles.

Ongoing thesis at Grenoble Alpes , under the authority of Physique , in a partnership with SYstèmes Moléculaires et nanoMatériaux pour l'Energie et la Santé (laboratoire) since 05-12-2017 .

  • Alternative Title

    Development of portable device for cardiac troponin in emergency


  • Abstract

    Blood biomarkers dosage is a key step in patient health care, for both diagnostic and treatment follow up. For that purpose, lots of rapid biological tests are currently developed. Amongst various cardiac biomarkers, different troponin isoforms are validated since 1999 because they are the most specific of cardiac muscle. Currently, the need is focused on: • Having portable tests to facilitate patient management and being cost effective, especially in emergency. • Having high sensitivity tests, allowing troponin detection even in healthy patients, in order to be able to detect early troponin level increase after myocardial infarction and also micro-necrosis. Various bedside troponin dosage equipments are available since several years, under portable or transportable formats. Current marketed devices are able to address one of the above need or the other, but to our knowledge, none of these instruments is able to focus on both of them simultaneously. For this doctoral research work, we propose an original approach to develop of a troponin detection medical device. On the contrary of the current marketed systems, this device will not be based on an immuno-assay. Amongst various detection modes, we selected two approaches of particular interest: (1) immuno-PCR, with the advantage of combining versatility and robustness of immunoassays together with signal amplification using PCR, and (2) agglutination of autologous red blood cells. These two detection modes both employ bispecific reagents simultaneously able to recognize the troponin and reveal detection signal. The work will include the production of bispecific reagents with better stability, sensitivity and selectivity than antibodies. This will allow their use in a passive microfluidic component under dried or lyophilized format. The main goal of this project is to demonstrate the feasibility of a direct troponin quantification using a patient blood droplet with a portable Point-of-Care (POC) device. The aim is to get similar limits of detection as the reference method (ELISA). We propose to set up an ultra-sensitive detection method based on imaging, presenting several advantages. Firstly, it can be implemented using a lost cost CMOS sensor (e.g. mobile phone camera), essential for a POC test development. Secondly, imaging allows for dynamic measurements, and so for the follow-up of the real time detection of agglutination reaction. In this translational research project, a close collaboration between technological development of medical devices (CEA Grenoble) and a patient care unit (CHU Saint- Etienne) is established to ensure a complete match with emergency medical needs and also facilitate clinical tests to market the medical device. The project implies team working between three complementary and multidisciplinary groups, essential for the success of such technological development: Academical research skills from CEA Grenoble Arnaud Buhot, PhD director, and Yohann Roupioz (SyMMES, UMR 5819, CNRS, CEA, Univ. Grenoble Alpes), will provide skills for: 1/ Analysis and modelling of algorithms development for biomarkers quantification, 2/ Development of bispecific reagents based on aptamers. Technological research skills from CEA Grenoble Myriam Cubizolles (Laboratoire Biologie et Architecture Microfluidique, CEA Tech, DTBS) will provide skills for: 1/ Development of disposable low cost microfluidic devices, 2/ Specific reagents embedding using drying or lyophilization. Biomedical research skills from CHU Saint-Etienne Jean-Baptiste Bouchet, anesthesiologist at CHU Saint-Etienne will provide skills for: 1/ Constraints and needs for troponin diagnostic in emergency, 2/ Providing biological samples for validation of the devices.


  • Abstract

    Le dosage de biomarqueurs sanguins est une étape clé dans la prise en charge d'un patient, que ce soit pour le diagnostic de pathologies mais également pour le suivi de leur traitement. Dans ce but, de nombreux tests de biologie rapides sont actuellement développés. Parmi les différents biomarqueurs mesurés dans les pathologies cardiaques, les différentes isoformes de troponines ont été validées depuis 1999 car elles s'avèrent être les plus spécifiques du muscle cardiaque. A l'heure actuelle, la demande est orientée : • D'une part vers l‘obtention de tests qui soient à la fois portables pour permettre une prise en charge facilitée et à moindre coût des patients, notamment dans les situations d'urgence. • Mais également d'autre part vers l'obtention d'essais dits à haute sensibilité, permettant même la détection de la troponine chez les patients sains, afin de détecter le plus tôt possible les augmentations des taux de troponine après un infarctus du myocarde, ainsi que les micro-nécroses. Divers dispositifs de dosage des troponines directement au chevet du patient existent depuis plusieurs années, que ce soit sous forme portable ou transportable. Les dispositifs actuellement sur le marché répondent à l'une ou l'autre de ces demandes, mais aucun dispositif à notre connaissance n'est capable aujourd'hui de satisfaire ces deux besoins de manière simultanée. Nous proposons dans ce travail de thèse une approche originale de développement d'un dispositif médical portable pour la détection de la troponine, qui n'est pas directement basé sur un immuno-essai comme les dispositifs actuellement commercialisés. Parmi les différents modes de détection, deux voies ont plus particulièrement retenu notre attention : (1) l'immuno-PCR qui présente comme avantages de coupler la versatilité et la robustesse des immuno-essais avec une amplification du signal détectée par PCR (Polymerase Chain Reaction), et (2) l'agglutination des globules rouges autologues. Ces deux modes de détection font appel à des réactifs bispécifiques simultanément capables de reconnaître la troponine et de révéler le signal permettant la détection. Le travail de thèse propose également de générer des réactifs bispécifiques alternatifs aux anticorps avec une meilleure stabilité, sensibilité et sélectivité, permettant ainsi de favoriser leur utilisation dans un consommable microfluidique passif sous forme sèche ou lyophilisée. L'objectif principal de ce projet est de démontrer la faisabilité d'un dosage direct de la troponine dans une goutte de sang total du patient par un dispositif portable (de type Point-of-Care POC). Le but est d'obtenir des limites de détection analogues à celles de l'ELISA. Nous proposons de mettre au point une méthode de détection ultra-sensible basée sur de l'imagerie, avec ou sans lentille. Une telle détection présente plusieurs avantages. Elle permet d'une part d'être réalisée à l'aide d'un capteur de type CMOS à bas coût (caméra de téléphone portable par exemple) issu de la microélectronique, ce qui s'avère indispensable pour le développement d'un test POC. D'autre part, l'imagerie permet de réaliser des mesures dynamiques, et donc de suivre en temps réel le déroulement de la réaction d'agglutination. Dans ce projet de recherche translationnelle, une collaboration étroite entre le développement technologique du dispositif médical (CEA Grenoble) et une structure de soin (CHU Saint-Etienne) est prévue afin de garantir une adéquation complète avec les besoins médicaux en situation d'urgence et de faciliter les tests cliniques en vue d'une mise sur le marché du dispositif portable. Le projet s'appuie sur la coopération de trois équipes possédant des expertises complémentaires et multidisciplinaires indispensables au succès d'un tel développement technologique : Expertise recherche académique du CEA Grenoble Arnaud Buhot, directeur de thèse, et Yohann Roupioz (SyMMES, UMR 5819, CNRS, CEA, Univ. Grenoble Alpes), apporteront les compétences nécessaires dans : 1/ l'analyse et la modélisation en vue du développement d'algorithmes dédiés à la quantification des biomarqueurs, 2/ le développement de réactifs bispécifiques alternatifs à base d'aptamères. Expertise recherche technologique du CEA Grenoble Myriam Cubizolles (Laboratoire Biologie et Architecture Microfluidique, CEA Tech, DTBS) apportera les compétences nécessaires pour : 1/ le développement de composants microfluidiques jetables à bas coût, 2/ l'embarquement de réactifs spécifiques par séchage ou lyophilisation. Expertise recherche biomédicale du CHU Saint-Etienne Jean-Baptiste Bouchet, Anesthésiste Réanimateur au CHU Saint-Etienne apportera les compétences nécessaires pour : 1/ les contraintes et besoins en urgence médicale concernant le diagnostic de la troponine, 2/ la fourniture d'échantillons biologiques en vue d'une validation des dispositifs.