Novel magnetic particles for bioassays

Rory Giles

Résumé

Colloidal superparamagnetic particles are a powerful tool in biotechnology, yet their applications are often hindered by limited stability in biological media or by orientation trapping under applied magnetic fields. In this thesis, these problems are addressed by developing novel magnetic particles bearing ligands at a liquid interface. Magnetic particle analogues are formulated using ferrofluidic emulsions, which incorporate functionalised phospholipids. Droplet size is controlled using microfluidic membrane emulsification to produce highly uniform populations. Ligands are modelled using biotinylated lipids, permitting the capture of streptavidin at the droplet interface. Fluorescently labelled proteins reveal that capture efficiency is influenced by the cosurfactant interfacial activity and the polymer spacer length of the ligand. Overall, capture saturation is found to be related to the number of ligands available at the interface. Ligand mobility is demonstrated by the formation of adhesion plaques between streptavidin cross-linked droplets and the motion of streptavidin coated beads caught at the interface. Finally, an application is explored by creating a new immunoassay. Polyvalent proteins or beads crosslink ligand functionalised droplets forming aggregates. Using size calibrated droplets specific aggregates can be accurately counted using flow cytometry and the limit of detection is found to be in the femtomolar range, this surpasses the picomolar range typically achieved using solid beads.

Les particules superparamagnétiques constituent un outil puissant pour de nombreuses applications biomédicales, ce potentiel est souvent restreint à cause de leur stabilité limitée dans les milieux biologiques ou du piégeage orientationnel sous champ magnétique. Dans cette thèse, ces problèmes ont été résolus en créant une nouvelle génération de particules à interfaces liquides fonctionnalisées. Ces particules sont formulées en utilisant des émulsions de ferrofluides qui incorporent des phospholipides fonctionnalisés, notamment biotinylés pour permettre la capture de streptavidine. La taille est contrôlée grâce à la microfluidique, permettant la production d'émulsions uniformes. L'utilisation de streptavidine fluorescente révèle que la capture est influencée par les propriétés du cosurfactant et du ligand ainsi que par le nombre de ligands disponibles. La mobilité des ligands est démontrée par l'adhésion observée entre les gouttelettes liées par de la streptavidine et le mouvement des billes couvertes de streptavidine capturées à l'interface. Enfin, le potentiel de ces particules est exploré en créant un dosage pour le diagnostic. La présence d'analytes en solution est indiquée par l’agglutination. Dans ce travail l'agglutination est provoquée par la complexation entre des émulsions biotinylés et  la streptavidine (ou des billes couvertes de streptavidine). L’utilisation de gouttelettes de taille calibrée permet de compter avec précision des agrégats spécifiques par cytométrie de flux, la limite de détection étant dans la gamme femtomolaire. Cela surpasse la gamme picomolaire atteint généralement par des billes solides.