Progress in the development of immunoanalytical methods incorporating recombinant antibodies to small molecular weight biotoxins

Rapid immunoanalytical screening of food and environmental samples for small molecular weight (hapten) biotoxin contaminations requires the production of antibody reagents that possess the requisite sensitivity and specificity. To date animal-derived polyclonal (pAb) and monoclonal (mAb) antibodies have provided the binding element of the majority of these assays but recombinant antibodies (rAb) isolated from in vitro combinatorial phage display libraries are an exciting alternative due to (1) circumventing the need for experimental animals, (2) speed of production in commonly used in vitro expression systems and (3) subsequent molecular enhancement of binder performance. Short chain variable fragments (scFv) have been the most commonly employed rAb reagents for hapten biotoxin detection over the last two decades but antibody binding fragments (Fab) and single domain antibodies (sdAb) are increasing in popularity due to increased expression efficiency of functional binders and superior resistance to solvents. rAb-based immunochromatographic assays and surface plasmon resonance (SPR) biosensors have been reported to detect sub-regulatory levels of fungal (mycotoxins), marine (phycotoxins) and aquatic biotoxins in a wide range of food and environmental matrices, however this technology has yet to surpass the performances of the equivalent mAb- and pAb-based formats. As such the full potential of rAb technology in hapten biotoxin detection has yet to be achieved, but in time the inherent advantages of engineered rAb are set to provide the next generation of ultra-high performing binder reagents for the rapid and specific detection of hapten biotoxins.

SURFACE-MODE ENHANCED PHOTOCURRENT FROM PTSI/N-SI SCHOTTKY-BARRIER DETECTORS

Using the Otto geometry of attenuated total reflection (prism-air gap-sample), front illuminated PtSi/Si Schottky barrier detectors are shown to exhibit enhanced photocurrent at surface plasmon resonance in the near infrared region. Correlation of the measured photocurrent with the calculated transmittance of light into the Si substate is demonstrated. The transmittance, which is due to surface plasmon re-radiation, is the optical parameter of principal importance in photosignal generation since the photon energies used here are greater than the silicon intrinsic bandgap. The results presented here indicate clearly the important features in optimizing surface plasmon enhancement in photodetection both above and below the silicon absorption edge.

Zero-Reflectance Metafilms for Optimal Plasmonic Sensing

An ultrathin layer of metasurface that almost completely annihilates the reflection of light (>99.5%) over a wide range of incident angles (>80°) is experimentally demonstrated. Such zero-reflectance metafilms exhibit optimal performance for plasmonic sensing, since their sensitivity to changes of local refractive index is far superior to films of nonzero reflectance. Since both main detection mechanisms tracking intensity changes and wavelength shifts are improved, zero-reflectance metafilms are optimal for localized surface plasmon resonance molecular sensing. Such nanostructures have significant opportunities in many areas, including enhanced light harvesting as well as in developing high-performance molecular sensors for a wide range of chemical and biomedical applications.

A potentiometric biosensor for rapid on-site disease diagnostics

Quantitative point-of-care (POC) devices are the next generation for serological disease diagnosis. Whilst pathogen serology is typically performed by centralized laboratories using Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay (ELISA), faster on-site diagnosis would infer improved disease management and treatment decisions. Using the model pathogen Bovine Herpes Virus-1 (BHV-1) this study employs an extended-gate field-effect transistor (FET) for direct potentiometric serological diagnosis. BHV-1 is a major viral pathogen of Bovine Respiratory Disease (BRD), the leading cause of economic loss ($2 billion annually in the US only) to the cattle and dairy industry. To demonstrate the sensor capabilities as a diagnostic tool, BHV-1 viral protein gE was expressed and immobilized on the sensor surface to serve as a capture antigen for a BHV-1-specific antibody (anti-gE), produced in cattle in response to viral infection. The gE-coated immunosensor was shown to be highly sensitive and selective to anti-gE present in commercially available anti-BHV-1 antiserum and in real serum samples from cattle with results being in excellent agreement with Surface Plasmon Resonance (SPR) and ELISA. The FET sensor is significantly faster than ELISA (<10 min), a crucial factor for successful disease intervention. This sensor technology is versatile, amenable to multiplexing, easily integrated to POC devices, and has the potential to impact a wide range of human and animal diseases.

Distribution, occurrence and biotoxin composition of the main shellfish toxin producing microalgae within European waters: A comparison of methods of analysis

Harmful algal blooms (HABs) are a natural global phenomena emerging in severity and extent. Incidents have many economic, ecological and human health impacts. Monitoring and providing early warning of toxic HABs are critical for protecting public health. Current monitoring programmes include measuring the number of toxic phytoplankton cells in the water and biotoxin levels in shellfish tissue. As these efforts are demanding and labour intensive, methods which improve the efficiency are essential. This study compares the utilisation of a multitoxin surface plasmon resonance (multitoxin SPR) biosensor with enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) and analytical methods such as high performance liquid chromatography with fluorescence detection (HPLC-FLD) and liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) for toxic HAB monitoring efforts in Europe. Seawater samples (n = 256) from European waters, collected 2009-2011, were analysed for biotoxins: saxitoxin and analogues, okadaic acid and dinophysistoxins 1/2 (DTX1/DTX2) and domoic acid responsible for paralytic shellfish poisoning (PSP), diarrheic shellfish poisoning (DSP) and amnesic shellfish poisoning (ASP), respectively. Biotoxins were detected mainly in samples from Spain and Ireland. France and Norway appeared to have the lowest number of toxic samples. Both the multitoxin SPR biosensor and the RNA microarray were more sensitive at detecting toxic HABs than standard light microscopy phytoplankton monitoring. Correlations between each of the detection methods were performed with the overall agreement, based on statistical 2 × 2 comparison tables, between each testing platform ranging between 32% and 74% for all three toxin families illustrating that one individual testing method may not be an ideal solution. An efficient early warning monitoring system for the detection of toxic HABs could therefore be achieved by combining both the multitoxin SPR biosensor and RNA microarray.

Engineering new strategies to improve pharmacokinetics of therapeutic proteins

Tese de doutoramento, Farmácia (Biotecnologia Farmacêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

Nanosensors for cancer detection.

Cancer is a major burden in today's society and one of the leading causes of death in industrialised countries. Various avenues for the detection of cancer exist, most of which rely on standard methods, such as histology, ELISA, and PCR. Here we put the focus on nanomechanical biosensors derived from atomic force microscopy cantilevers. The versatility of this novel technology has been demonstrated in different applications and in some ways surpasses current technologies, such as microarray, quartz crystal microbalance and surface plasmon resonance. The technology enables label free biomarker detection without the necessity of target amplification in a total cellular background, such as BRAF mutation analysis in malignant melanoma. A unique application of the cantilever array format is the analysis of conformational dynamics of membrane proteins associated to surface stress changes. Another development is characterisation of exhaled breath which allows assessment of a patient's condition in a non-invasive manner.

Differential peptide binding to CD40 evokes counteractive responses.

The antigen-presenting cell-expressed CD40 is implied in the regulation of counteractive immune responses such as induction of pro-inflammatory and anti-inflammatory cytokines interleukin (IL)-12 and IL-10, respectively. The mechanism of this duality in CD40 function remains unknown. Here, we investigated whether such duality depends on ligand binding. Based on CD40 binding, we identifed two dodecameric peptides, peptide-7 and peptide-19, from the phage peptide library. Peptide-7 induces IL-10 and increases Leishmania donovani infection in macrophages, whereas peptide-19 induces IL-12 and reduces L. donovani infection. CD40-peptide interaction analyses by surface plasmon resonance and atomic force microscopy suggest that the functional differences are not associated with the studied interaction parameters. The molecular dynamic simulation of the CD40-peptides interaction suggests that these two peptides bind to two different places on CD40. Thus, we suggest for the first time that differential binding of the ligands imparts functional duality to CD40.

Molecular and therapeutic characterization of anti-ectodysplasin A receptor (EDAR) agonist monoclonal antibodies.

The TNF family ligand ectodysplasin A (EDA) and its receptor EDAR are required for proper development of skin appendages such as hair, teeth, and eccrine sweat glands. Loss of function mutations in the Eda gene cause X-linked hypohidrotic ectodermal dysplasia (XLHED), a condition that can be ameliorated in mice and dogs by timely administration of recombinant EDA. In this study, several agonist anti-EDAR monoclonal antibodies were generated that cross-react with the extracellular domains of human, dog, rat, mouse, and chicken EDAR. Their half-life in adult mice was about 11 days. They induced tail hair and sweat gland formation when administered to newborn EDA-deficient Tabby mice, with an EC(50) of 0.1 to 0.7 mg/kg. Divalency was necessary and sufficient for this therapeutic activity. Only some antibodies were also agonists in an in vitro surrogate activity assay based on the activation of the apoptotic Fas pathway. Activity in this assay correlated with small dissociation constants. When administered in utero in mice or at birth in dogs, agonist antibodies reverted several ectodermal dysplasia features, including tooth morphology. These antibodies are therefore predicted to efficiently trigger EDAR signaling in many vertebrate species and will be particularly suited for long term treatments.

Direct Thy-1/alphaVbeta3 integrin interaction mediates neuron to astrocyte communication.

Thy-1 is an abundant neuronal glycoprotein of poorly defined function. We recently provided evidence indicating that Thy-1 clusters a beta3-containing integrin in astrocytes to induce tyrosine phosphorylation, RhoA activation and the formation of focal adhesions and stress fibers. To date, the alpha subunit partner of beta3 integrin in DI TNC1 astrocytes is unknown. Similarly, the ability of neuronal, membrane-bound Thy-1 to trigger astrocyte signaling via integrin engagement remains speculation. Here, evidence that alphav forms an alphavbeta3 heterodimer in DI TNC1 astrocytes was obtained. In neuron-astrocyte association assays, the presence of either anti-alphav or anti-beta3 integrin antibodies reduced cell-cell interaction demonstrating the requirement of both integrin subunits for this association. Moreover, anti-Thy-1 antibodies blocked stimulation of astrocytes by neurons but not the binding of these two cell types. Thus, neuron-astrocyte association involved binding between molecular components in addition to the Thy-1-integrin; however, the signaling events leading to focal adhesion formation in astrocytes depended exclusively on the latter interaction. Additionally, wild-type (RLD) but not mutated (RLE) Thy-1 was shown to directly interact with alphavbeta3 integrin by Surface Plasmon Resonance analysis. This interaction was promoted by divalent cations and was species-independent. Together, these results demonstrate that the alphavbeta3 integrin heterodimer interacts directly with Thy-1 present on neuronal cells to stimulate astrocytes.

Structure of the extracellular domains of human and Xenopus Fn14: implications in the evolution of TWEAK and Fn14 interactions.

TWEAK (TNF homologue with weak apoptosis-inducing activity) and Fn14 (fibroblast growth factor-inducible protein 14) are members of the tumor necrosis factor (TNF) ligand and receptor super-families. Having observed that Xenopus Fn14 cross-reacts with human TWEAK, despite its relatively low sequence homology to human Fn14, we examined the conservation in tertiary fold and binding interfaces between the two species. Our results, combining NMR solution structure determination, binding assays, extensive site-directed mutagenesis and molecular modeling, reveal that, in addition to the known and previously characterized β-hairpin motif, the helix-loop-helix motif makes an essential contribution to the receptor/ligand binding interface. We further discuss the insight provided by the structural analyses regarding how the cysteine-rich domains of the TNF receptor super-family may have evolved over time. DATABASE: Structural data are available in the Protein Data Bank/BioMagResBank databases under the accession codes 2KMZ, 2KN0 and 2KN1 and 17237, 17247 and 17252. STRUCTURED DIGITAL ABSTRACT: TWEAK binds to hFn14 by surface plasmon resonance (View interaction) xeFn14 binds to TWEAK by enzyme linked immunosorbent assay (View interaction) TWEAK binds to xeFn14 by surface plasmon resonance (View interaction) hFn14 binds to TWEAK by enzyme linked immunosorbent assay (View interaction).

Étude d'un variant de la toxine STb produite par Escherichia coli

Les E. coli entérotoxinogènes (ETEC) sont souvent la cause de diarrhée post-sevrage chez le porc. Deux types d’entérotoxines sont retrouvées chez les ETEC, soit les thermolabiles, comme la toxine LT, et les thermostables, comme EAST-1, STa et STb. Cette dernière est composée de 48 acides aminés et est impliquée dans la pathologie causée par les ETEC. Pour la première fois un variant de la toxine STb fut découvert dans une étude. Nous avons alors émis l’hypothèse qu’il y a présence de variants dans la population de souches ETEC du Québec. Dans les 100 souches STb+ analysées, 23 possédaient le gène de la toxine avec une variation dans la séquence génétique : l’asparagine était présente en position 12 remplaçant ainsi l’histidine. Une corrélation entre la présence du variant et la présence de facteurs de virulence retrouvés dans ces 100 souches ETEC étudiées a été effectuée. Ce variant semble fortement associé à la toxine STa puisque toutes les souches variantes ont hybridé avec le gène codant pour cette dernière. Étant donné sa présence répandue dans la population de souches ETEC du Québec, nous avons de plus émis l’hypothèse que ce variant a des caractéristiques biologiques altérées par rapport à la toxine sauvage. L’analyse par dichroïsme circulaire a montré que le variant et la toxine sauvage ont une structure secondaire ainsi qu’une stabilité similaires. Par la suite, l’attachement au récepteur de la toxine, le sulfatide, a été étudié par résonnance plasmonique de surface (biacore). Le variant a une affinité au sulfatide légèrement réduite comparativement à la toxine sauvage. Puisque l’internalisation de la toxine fut observée dans une étude précédente et qu’elle semble liée à la toxicité, nous avons comparé l’internalisation du variant et de la toxine sauvage à l’intérieur des cellules IPEC-J2. L’internalisation du variant dans les cellules est légèrement supérieure à l’internalisation de la toxine sauvage. Ces résultats suggèrent que le variant est biochimiquement et structurellement comparable à la toxine sauvage.

Towards the nanomechanical actuation and controlled assembly of nanomaterials using charge-transfer reactions in electroactive self-assembled monolayers

Les microcantileviers fonctionnalisés offrent une plateforme idéale pour la nano- et micro-mécanique et pour le développement de (bio-) capteurs tres sensible. Le principe d’opération consiste dans des évènements physicochimiques qui se passent du côté fonctionnalisé du microcantilevier induisant une différence de stress de surface entre les deux côtés du cantilevier qui cause une déflexion verticale du levier. Par contre, les facteurs et les phénomènes interfacials qui régissent la nature et l'intensité du stress de surface sont encore méconnus. Pour éclaircir ce phénomène, la première partie de cette thèse porte sur l'étude des réactions de microcantileviers qui sont recouverts d'or et fonctionnalisés par une monocouche auto-assemblée (MAA) électroactive. La formation d'une MAA de ferrocènylundécanethiol (FcC11SH) à la surface d'or d'un microcantilevier est le modèle utilisé pour mieux comprendre le stress de surface induit par l’électrochimie. Les résultats obtenus démontrent qu'une transformation rédox de la MAA de FcC11SH crée un stress de surface qui résulte dans une déflexion verticale du microcantilevier. Dépendamment de la flexibilité du microcantilevier, cette déflexion peut varier de quelques nanomètres à quelques micromètres. L’oxydation de cette MAA de FcC11SH dans un environnement d'ions perchlorate génère un changement de stress de surface compressive. Les résultats indiquent que la déflexion du microcantilevier est due à une tension latérale provenant d'une réorientation et d'une expansion moléculaire lors du transfért de charge et de pairage d’anions. Pour vérifier cette hypothèse, les mêmes expériences ont été répéteés avec des microcantileviers qui ont été couverts d'une MAA mixte, où les groupements électroactifs de ferrocène sont isolés par des alkylthiols inactifs. Lorsqu’un potentiel est appliqué, un courant est détecté mais le microcantilevier ne signale aucune déflexion. Ces résultats confirment que la déflexion du microcantilevier est due à une pression latérale provenant du ferrocènium qui se réorganise et qui crée une pression sur ses pairs avoisinants plutôt que du couplage d’anions. L’amplitude de la déflexion verticale du microcantilevier dépend de la structure moléculaire de la MAA et du le type d’anion utilisés lors de la réaction électrochimique. Dans la prochaine partie de la thèse, l’électrochimie et la spectroscopie de résonance de plasmon en surface ont été combinées pour arriver à une description de l’adsorption et de l’agrégation des n-alkyl sulfates à l’interface FcC11SAu/électrolyte. À toutes les concentrations de solution, les molécules d'agent tensio-actif sont empilées perpendiculairement à la surface d'électrode sous forme de monocouche condensé entrecroisé. Cependant, la densité du film spécifiquement adsorbé s'est avérée être affectée par l'état d'organisation des agents tensio-actifs en solution. À faible concentration, où les molécules d'agent tensio-actif sont présentes en tant que monomères solvatés, les monomères peuvent facilement s'adapter à l’évolution de la concentration en surface du ferrocènium lors du balayage du potential. Cependant, lorsque les molécules sont présentes en solution en tant que micelles une densité plus faible d'agent tensio-actif a été trouvée en raison de l'incapacité de répondre effectivement à la surface de ferrocenium générée dynamiquement.

Mécanismes de déformation de nanoparticules d’Au par irradiation ionique

Résumé Dans la présente thèse, nous avons étudié la déformation anisotrope par bombardement ionique de nanoparticules d'or intégrées dans une matrice de silice amorphe ou d'arséniure d’aluminium cristallin. On s’est intéressé à la compréhension du mécanisme responsable de cette déformation pour lever toute ambigüité quant à l’explication de ce phénomène et pour avoir une interprétation consistante et unique. Un procédé hybride combinant la pulvérisation et le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma a été utilisé pour la fabrication de couches nanocomposites Au/SiO2 sur des substrats de silice fondue. Des structures à couches simples et multiples ont été obtenues. Le chauffage pendant ou après le dépôt active l’agglomération des atomes d’Au et par conséquent favorise la croissance des nanoparticules. Les nanocomposites Au/AlAs ont été obtenus par implantation ionique de couches d’AlAs suivie de recuit thermique rapide. Les échantillons des deux nanocomposites refroidis avec de l’azote liquide ont été irradiés avec des faisceaux de Cu, de Si, d’Au ou d’In d’énergie allant de 2 à 40 MeV, aux fluences s'étendant de 1×1013 à 4×1015 ions/cm2, en utilisant le Tandem ou le Tandetron. Les propriétés structurales et morphologiques du nanocomposite Au/SiO2 sont extraites en utilisant des techniques optiques car la fréquence et la largeur de la résonance plasmon de surface dépendent de la forme et de la taille des nanoparticules, de leur concentration et de la distance qui les séparent ainsi que des propriétés diélectriques du matériau dans lequel les particules sont intégrées. La cristallinité de l’arséniure d’aluminium est étudiée par deux techniques: spectroscopie Raman et spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en mode canalisation (RBS/canalisation). La quantité d’Au dans les couches nanocomposites est déduite des résultats RBS. La distribution de taille et l’étude de la transformation de forme des nanoparticules métalliques dans les deux nanocomposites sont déterminées par microscopie électronique en transmission. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ont fait l’objet de trois articles de revue. La première publication montre la possibilité de manipuler la position spectrale et la largeur de la bande d’absorption des nanoparticules d’or dans les nanocomposites Au/SiO2 en modifiant leur structure (forme, taille et distance entre particules). Les nanoparticules d’Au obtenues sont presque sphériques. La bande d’absorption plasmon de surface (PS) correspondante aux particules distantes est située à 520 nm. Lorsque la distance entre les particules est réduite, l’interaction dipolaire augmente ce qui élargit la bande de PS et la déplace vers le rouge (602 nm). Après irradiation ionique, les nanoparticules sphériques se transforment en ellipsoïdes alignés suivant la direction du faisceau. La bande d’absorption se divise en deux bandes : transversale et longitudinale. La bande correspondante au petit axe (transversale) est décalée vers le bleu et celle correspondante au grand axe (longitudinale) est décalée vers le rouge indiquant l’élongation des particules d’Au dans la direction du faisceau. Le deuxième article est consacré au rôle crucial de la déformation plastique de la matrice et à l’importance de la mobilité des atomes métalliques dans la déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans les nanocomposites Au/SiO2. Nos mesures montrent qu'une valeur seuil de 2 keV/nm (dans le pouvoir d'arrêt électronique) est nécessaire pour la déformation des nanoparticules d'or. Cette valeur est proche de celle requise pour la déformation de la silice. La mobilité des atomes d’Au lors du passage d’ions est confirmée par le calcul de la température dans les traces ioniques. Le troisième papier traite la tentative de formation et de déformation des nanoparticules d’Au dans une matrice d’arséniure d’aluminium cristallin connue pour sa haute résistance à l’amorphisation et à la déformation sous bombardement ionique. Le résultat principal de ce dernier article confirme le rôle essentiel de la matrice. Il s'avère que la déformation anisotrope du matériau environnant est indispensable pour la déformation des nanoparticules d’or. Les résultats expérimentaux mentionnés ci-haut et les calculs de températures dans les traces ioniques nous ont permis de proposer le scénario de déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans le nanocomposite Au/SiO2 suivant: - Chaque ion traversant la silice fait fondre brièvement un cylindre étroit autour de sa trajectoire formant ainsi une trace latente. Ceci a été confirmé par la valeur seuil du pouvoir d’arrêt électronique. - L’effet cumulatif des impacts de plusieurs ions conduit à la croissance anisotrope de la silice qui se contracte dans la direction du faisceau et s’allonge dans la direction perpendiculaire. Le modèle de chevauchement des traces ioniques (overlap en anglais) a été utilisé pour valider ce phénomène. - La déformation de la silice génère des contraintes qui agissent sur les nanoparticules dans les plans perpendiculaires à la trajectoire de l’ion. Afin d’accommoder ces contraintes les nanoparticules d’Au se déforment dans la direction du faisceau. - La déformation de l’or se produit lorsqu’il est traversé par un ion induisant la fusion d’un cylindre autour de sa trajectoire. La mobilité des atomes d’or a été confirmée par le calcul de la température équivalente à l’énergie déposée dans le matériau par les ions incidents. Le scénario ci-haut est compatible avec nos données expérimentales obtenues dans le cas du nanocomposite Au/SiO2. Il est appuyé par le fait que les nanoparticules d’Au ne se déforment pas lorsqu’elles sont intégrées dans l’AlAs résistant à la déformation.

Propriétés optiques et analytiques des nanotrous : vers la conception de biocapteurs en résonance des plasmons de surface localisés

Les biocapteurs sont utilisés quotidiennement pour déterminer la présence de molécules biologiques dans une matrice complexe, comme l’urine pour les tests de grossesses ou le sang pour les glucomètres. Les techniques courantes pour la détection des autres maladies nécessitent fréquemment le marquage de l’analyte avec une autre molécule, ce qui est à éviter pour fin de simplicité d’analyse. Ces travaux ont pour but la maximisation de la sensibilité d’une surface d’or ou d’argent nanotrouée, afin de permettre la détection de la liaison de molécules biologiques par résonance des plasmons de surface localisés (LSPR), en utilisant la spectroscopie de transmission. Un biocapteur portable, rapide et sans marquage pour quantifier des analytes d’intérêt médical ou environnemental pourrait être construit à partir de ces travaux. Dans l’objectif d’étudier de nombreuses configurations pour maximiser la sensibilité, le temps et le coût des méthodes de fabrication de nanostructures habituelles auraient limité le nombre de surfaces nanotrouées pouvant être étudiées. Un autre objectif du projet consiste donc au développement d’une technique de fabrication rapide de réseaux de nanotrous, et à moindres coûts, basée sur la lithographie de nanosphères (NSL) et sur la gravure au plasma à l’oxygène (RIE). La sensibilité à la variation d’indice de réfraction associée aux liaisons de molécules sur la surface du métal noble et la longueur d’onde d’excitation du plasmon de surface sont influencées par les caractéristiques des réseaux de nanotrous. Dans les travaux rapportés ici, la nature du métal utilisé, le diamètre ainsi que la périodicité des trous sont variés pour étudier leur influence sur les bandes LSPR du spectre en transmission pour maximiser cette sensibilité, visant la fabrication d’un biocapteur. Les surfaces d’argent, ayant un diamètre de nanotrous inférieur à 200 nm pour une périodicité de 450 nm et les nanotrous d’une périodicité de 650 nm démontre un potentiel de sensibilité supérieur.