Detection of methotrexate using surface plasmon resonance biosensors for chemotherapy monitoring

Le méthotrexate (MTX), un agent anti-cancéreux fréquemment utilisé en chimiothérapie, requiert généralement un suivi thérapeutique de la médication (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) pour surveiller son niveau sanguin chez le patient afin de maximiser son efficacité tout en limitant ses effets secondaires. Malgré la fenêtre thérapeutique étroite entre l’efficacité et la toxicité, le MTX reste, à ce jour, un des agents anti-cancéreux les plus utilisés au monde. Les techniques analytiques existantes pour le TDM du MTX sont coûteuses, requièrent temps et efforts, sans nécessairement fournir promptement les résultats dans le délai requis. Afin d’accélérer le processus de dosage du MTX en TDM, une stratégie a été proposée basée sur un essai compétitif caractérisé principalement par le couplage plasmonique d’une surface métallique et de nanoparticules d’or. Plus précisément, l’essai quantitatif exploite la réaction de compétition entre le MTX et une nanoparticule d’or fonctionnalisée avec l’acide folique (FA-AuNP) ayant une affinité pour un récepteur moléculaire, la réductase humaine de dihydrofolate (hDHFR), une enzyme associée aux maladies prolifératives. Le MTX libre mixé avec les FA-AuNP, entre en compétition pour les sites de liaison de hDHFR immobilisés sur une surface active en SPR ou libres en solution. Par la suite, les FA-AuNP liées au hDHFR fournissent une amplification du signal qui est inversement proportionnelle à la concentration de MTX. La résonance des plasmons de surface (SPR) est généralement utilisée comme une technique spectroscopique pour l’interrogation des interactions biomoléculaires. Les instruments SPR commerciaux sont généralement retrouvés dans les grands laboratoires d’analyse. Ils sont également encombrants, coûteux et manquent de sélectivité dans les analyses en matrice complexe. De plus, ceux-ci n’ont pas encore démontré de l’adaptabilité en milieu clinique. Par ailleurs, les analyses SPR des petites molécules comme les médicaments n’ont pas été explorés de manière intensive dû au défi posé par le manque de la sensibilité de la technique pour cette classe de molécules. Les développements récents en science des matériaux et chimie de surfaces exploitant l’intégration des nanoparticules d’or pour l’amplification de la réponse SPR et la chimie de surface peptidique ont démontré le potentiel de franchir les limites posées par le manque de sensibilité et l’adsorption non-spécifique pour les analyses directes dans les milieux biologiques. Ces nouveaux concepts de la technologie SPR seront incorporés à un système SPR miniaturisé et compact pour exécuter des analyses rapides, fiables et sensibles pour le suivi du niveau du MTX dans le sérum de patients durant les traitements de chimiothérapie. L’objectif de cette thèse est d’explorer différentes stratégies pour améliorer l’analyse des médicaments dans les milieux complexes par les biocapteurs SPR et de mettre en perspective le potentiel des biocapteurs SPR comme un outil utile pour le TDM dans le laboratoire clinique ou au chevet du patient. Pour atteindre ces objectifs, un essai compétitif colorimétrique basé sur la résonance des plasmons de surface localisée (LSPR) pour le MTX fut établi avec des nanoparticules d’or marquées avec du FA. Ensuite, cet essai compétitif colorimétrique en solution fut adapté à une plateforme SPR. Pour les deux essais développés, la sensibilité, sélectivité, limite de détection, l’optimisation de la gamme dynamique et l’analyse du MTX dans les milieux complexes ont été inspectés. De plus, le prototype de la plateforme SPR miniaturisée fut validé par sa performance équivalente aux systèmes SPR existants ainsi que son utilité pour analyser les échantillons cliniques des patients sous chimiothérapie du MTX. Les concentrations de MTX obtenues par le prototype furent comparées avec des techniques standards, soit un essai immunologique basé sur la polarisation en fluorescence (FPIA) et la chromatographie liquide couplée avec de la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) pour valider l’utilité du prototype comme un outil clinique pour les tests rapides de quantification du MTX. En dernier lieu, le déploiement du prototype à un laboratoire de biochimie dans un hôpital démontre l’énorme potentiel des biocapteurs SPR pour utilisation en milieux clinique.

Points quantiques : caractérisation et applications en sciences pharmaceutiques

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1.

Core-Shell Assisted Bimetallic Assembly of Pt and Ru Nanoparticles by DNA Hybridization

We have discovered that the current protocols to assemble Au nanoparticles based on DNA hybridization do not work well with the small metal nanoparticles (e.g. 5 nm Au, 3.6 nm Pt and 3.2 nm Ru particles). Further investigations revealed the presence of strong interaction between the oligonucleotide backbone and the surface of the small metal nanoparticles. The oligonucleotides in this case are recumbent on the particle surface and are therefore not optimally oriented for hybridization. The nonspecific adsorption of oligonucleotides on small metal nanoparticles must be overcome before DNA hybridization can be accepted as a general assembly method. Two methods have been suggested as possible solutions to this problem. One is based on the use of stabilizer molecules which compete with the oligonucleotides for adsorption on the metal nanoparticle surface. Unfortunately, the reported success of this approach in small Au nanoparticles (using K₂BSPP) and Au films (using 6-mercapto-1-hexanol) could not be extended to the assembly of Pt and Ru nanoparticles by DNA hybridization. The second approach is to simply use larger metal particles. Indeed most reports on the DNA hybridization induced assembly of Au nanoparticles have made use of relatively large particles (>10 nm), hinting at a weaker non-specific interaction between the oligonucleotides and large Au nanoparticles. However, most current methods of nanoparticle synthesis are optimized to produce metal nanoparticles only within a narrow size range. We find that core-shell nanoparticles formed by the seeded growth method may be used to artificially enlarge the size of the metal particles to reduce the nonspecific binding of oligonucleotides. We demonstrate herein a core-shell assisted growth method to assemble Pt and Ru nanoparticles by DNA hybridization. This method involves firstly synthesizing approximately 16 nm core-shell Ag-Pt and 21 nm core-shell Au-Ru nanoparticles from 9.6 nm Ag seeds and 17.2 nm Au seeds respectively by the seed-mediated growth method. The core-shell nanoparticles were then functionalized by complementary thiolated oligonucleotides followed by aging in 0.2 M PBS buffer for 6 hours. The DNA hybridization induced bimetallic assembly of Pt and Ru nanoparticles could then be carried out in 0.3 M PBS buffer for 10 hours.

Surface Functionalization of Monodisperse Magnetic Nanoparticles

We present a systematic methodology to functionalize magnetic nanoparticles through surface-initiated atom-transfer radical polymerization (ATRP). The magnetite nanoparticles are prepared according to the method proposed by Sun et al. (2004), which leads to a monodisperse population of ~ 6 nm particles stabilized by oleic acid. The functionalization of the nanoparticles has been performed by transforming particles into macro-initiators for the ATRP, and to achieve this two different routes have been explored. The first one is the ligand-exchange method, which consists of replacing some oleic acid molecules adsorbed on the particle surface with molecules that act as an initiator for ATRP. The second method consists in using the addition reaction of bromine to the oleic acid double bond, which turns the oleic acid itself into an initiator for the ATRP. We have then grown polymer brushes of a variety of acrylic polymers on the particles, including polyisopropylacrylamide and polyacrylic acid. The nanoparticles so functionalized are water soluble and show responsive behavior: either temperature responsive behavior when polyisopropylacrylamide is grown from the surface or PH responsive in the case of polyacrylic acid. This methodology has potential applications in the control of clustering of magnetic nanoparticles.

A thermoresponsive supramolecular polymer network comprising pyrene-functionalized gold nano-particles and a chain-folding polydiimide.

A thermoresponsive, supramolecular nanocomposite has been prepared by the addition of pyrenyl functionalized gold nanoparticles (AuNPs) to a polydiimide that contains receptor residues designed to form defined complexes with pyrene. The novel pyrenyl-functionalized AuNPs (P-AuNPs) were characterized by transmission electron microscopy, with surface functionalization confirmed by infrared and UV–visible spectroscopic analyses. Mixing solutions of the P-AuNPs and a π-electron-deficient polydiimide resulted in the formation of electronically complementary, chain-folded and π–π-stacked complexes, so affording a new supramolecular nanocomposite network which precipitated from solution. The P-AuNPs bind to the polydiimide via π–π stacking interactions to create supramolecular cross-links. UV–visible spectroscopic analysis confirmed the thermally reversible nature of the complexation process, and transmission electron microscopy (TEM), infrared spectroscopy (IR), and differential scanning calorimetry (DSC) were used to characterize the supramolecular-nanocomposite material. The supramolecular polymer network is insoluble at room temperature, yet may be dissolved at temperatures above 60 °C. The thermal reversibility of this system is maintained over five heat/cool cycles without diminishment of the network characteristics. In contrast to the individual components, the nanocomposite formed self-supporting films, demonstrating the benefit of the supramolecular network in terms of mechanical properties. Control experiments probing the interactions between a model diimide compound that can also form a π-stacked complex with the π-electron rich pyrene units on P-AuNPs showed that, while complexation was readily apparent, precipitation did not occur because a supramolecular cross-linked network system could not be formed with this system.

Immobilisation of phenanthroline-bis triazine(c1-btphen) on magnetic nanoparticles for co-extraction of americium(III) and europium(III)

The present work reports a convenient route for the immobilisation of a phenanthroline-bis triazine (C1-BTPhen) group on the surface of zirconia-coated maghemite (γ-Fe2O3) magnetic nanoparticles. The magnetic nanoparticles functionalized with C1-BTPhen were able to co-extract Am(III) and Eu(III) from nitric acid (HNO3). The extraction efficiency of these C1-BTPhen-functionalized magnetic nanoparticles for both Am(III) and Eu(III) was 20% at 4M HNO3. The interaction between C1-BTPhen and metal cations is reversible. These functionalized magnetic nanoparticles can be used for the co-extraction of traces of Am(III) and Eu(III).

Self-assembly of a Model Peptide incorporating a Hexa-Histidine sequence attached to an Oligo-Alanine sequence, and binding to Gold NTA/Nickel nanoparticles

Amyloid fibrils are formed by a model surfactant-like peptide (Ala)10-(His)6 containing a hexahistidine tag. This peptide undergoes a remarkable two-step self-assembly process with two distinct critical aggregation concentrations (cac’s), probed by fluorescence techniques. A micromolar range cac is ascribed to the formation of prefibrillar structures, whereas a millimolar range cac is associated with the formation of well-defined but more compact fibrils. We examine the labeling of these model tagged amyloid fibrils using Ni-NTA functionalized gold nanoparticles (Nanogold). Successful labeling is demonstrated via electron microscopy imaging. The specificity of tagging does not disrupt the β-sheet structure of the peptide fibrils. Binding of fibrils and Nanogold is found to influence the circular dichroism associated with the gold nanoparticle plasmon absorption band. These results highlight a new approach to the fabrication of functionalized amyloid fibrils and the creation of peptide/nanoparticle hybrid materials.

Enzyme activity of horseradish peroxidase immobilized in chitosan matrices in alternated layers

The successful immobilization of enzymes such as horseradish peroxidase (HRP) in solid films is essential for applications in sensors and for fundamental studies aimed at identifying possible biotechnological devices. In this study we show that HRP can be immobilized in alternated layers with chitosan as the template material. The activity of HRP in HRP/chitosan films was preserved for several weeks, and could be detected optically upon monitoring the reaction with pyrogallol. The morphology of the film displayed stripes that disappeared after reaction with pyrogallol. Though the activity in the HRP/chitosan film was lower than in a homogeneous solution or in an LB film investigated earlier, the response was linear for a considerable period of time, which may be advantageous for sensing hydrogen peroxide. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Controlled fabrication of gold nanoparticles biomediated by glucose oxidase immobilized on chitosan layer-by-layer films

The control of size and shape of metallic nanoparticles is a fundamental goal in nanochemistry, and crucial for applications exploiting nanoscale properties of materials. We present here an approach to the synthesis of gold nanoparticles mediated by glucose oxidase (GOD) immobilized on solid substrates using the Layer-by-Layer (LbL) technique. The LbL films contained four alternated layers of chitosan and poly(styrene sulfonate) (PSS), with GOD in the uppermost bilayer adsorbed on a fifth chitosan layer: (chitosan/PSS)(4)/(chitosan/GOD). The films were inserted into a solution containing gold salt and glucose, at various pHs. Optimum conditions were achieved at pH 9, producing gold nanoparticles of ca. 30 nm according to transmission electron microscopy. A comparative study with the enzyme in solution demonstrated that the synthesis of gold nanoparticles is more efficient using immobilized GOD. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Enzyme immobilisation on electroactive nanostructured membranes (ENM): Optimised architectures for biosensing

Electroactive nanostructured membranes have been produced by the layer-by-layer (LbL) technique, and used to make electrochemical enzyme biosensors for glucose by modification with cobalt hexacyanoferrate redox mediator and immobilisation of glucose oxidase enzyme. Indium tin oxide (ITO) glass electrodes were modified with up to three bilayers of polyamidoamine (PAMAM) dendrimers containing gold nanoparticles and poly(vinylsulfonate) (PVS). The gold nanoparticles were covered with cobalt hexacyanoferrate that functioned as a redox mediator, allowing the modified electrode to be used to detect H(2)O(2), the product of the oxidase enzymatic reaction, at 0.0 V vs. SCE. Enzyme was then immobilised by cross-linking with glutaraldehyde. Several parameters for optimisation of the glucose biosensor were investigated, including the number of deposited bilayers, the enzyme immobilisation protocol and the concentrations of immobilised enzyme and of the protein that was crosslinked with PAMAM. The latter was used to provide glucose oxidase with a friendly environment, in order to preserve its bioactivity. The optimised biosensor, with three bilayers, has high sensitivity and operational stability, with a detection limit of 6.1 mu M and an apparent Michaelis-Menten constant of 0.20 mM. It showed good selectivity against interferents and is suitable for glucose measurements in natural samples. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Antioxidant effect of functionalized alkyl-organotellurides: a study in vitro

We evaluated the in vitro antioxidant effect of alkyl-organotellurides A-D on lipid peroxidation and protein carbonylation in rat liver homogenates. The thiol oxidase and thiol peroxidase-like activities of compounds were investigated. delta-Aminolevulinic acid dehydratase (delta-ALA-D) activity was determined in rat liver homogenates. Compounds A-D protected against lipid peroxidation induced by Fe(2+)/EDTA and sodium nitroprusside (SNP). According to the confidence limits of the IC(50) values of compounds A-D, the IC(50) values for organotellurides followed the order: C (0.30 mu M) <= B (0.40 mu M) < D (0.68 mu M) < A (2.90 mu M), for Fe(2+)/EDTA, and B (0.21 mu M) <= C (0.33 mu M) < D (0.43 mu M) < A (1.21 mu M) for SNP-induced lipid peroxidation. Compounds A-D reduced protein carbonyl content to control levels. The results demonstrated an inverse correlation between thiol oxidase and delta-ALA-D activities. This study supports an antioxidant effect of organotellurides A-D on rat liver.

Preparation and photoluminescence properties of functionalized silica materials incorporating europium complexes

In the present work, the surface of the Eu-BTC = [Eu(EMA)(H(2)O)(2)], [Eu(TLA)(H(2)O)(4)] and [Eu(TMA)(H(2)O)(6)] complexes (EMA = 1,2,3-benzenetricarboxylate, TLA = 1,2,4-benzenetricarboxylate and TMA = 1,3,5-benzenetricarboxylate) was modified using 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) by a new microwave assisted method that proved to be simple and efficient. According to our observations, the most efficient luminescence is the material based on APTES incorporating [Eu(TMA)(H(2)O)(6)] complexes, denoted as Eu-TMA-Si, shows the highest emission efficiency. Therefore, it is proposed as a promising material for molecular conjugation in clinical diagnosis. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Preparation of supported Pt(0) nanoparticles as efficient recyclable catalysts for hydrogenation of alkenes and ketones

A magnetically recoverable Pt(0) catalyst was prepared by in situ H(2) reduction of Pt(2+) species bound to an amino modified silica-coated magnetic nanoparticles. Compared to ordinary silica (maximum uptake Pt 0.03 wt%), the amino-functionalized silica surfaces were loaded with 1.95 wt% of metal. The supported Pt(0) nanoparticles exhibit high catalytic activity in the hydrogenation of alkenes and ketones under solventless mild reaction conditions. Partially hydrogenated products could also be isolated. The magnetic property of the catalyst grants a fast and efficient product isolation compared to traditional methods used in heterogeneous systems that generally make use of time- and solvent-consuming procedures. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Copper hexacyanoferrate nanoparticles modified electrodes: A versatile tool for biosensors

Copper hexacyanoferrate nanoparticles of about 30 nm in size have been prepared by the sonochemical irradiation of a mixture of aqueous potassium ferricyanide and copper chloride solutions. The nanoparticles were immobilized onto fluorine doped tin oxide (FTO) electrodes by using the electrostatic deposition layer-by-layer technique (LbL), obtaining electroactive films with electrocatalytic properties towards H2O2 reduction, providing higher currents than those observed for electrodeposited bulk material, even in electrolytes containing NH4+, Na+ and K+. The nanoparticles assembly was used as mediator in a glucose biosensor by immobilizing glucose oxidase enzyme by both, cross-linking and LbL. techniques. Sensitivities obtained were dependent on the immobilization method ranging from 1.23 mu A mmol(-1) L cm(-2) for crosslinking to 0.47 mu A mmol(-1) L cm(-2) for LbL; these values being of the same order than those obtained with electrodes where the amount of enzyme used is much higher. Moreover, the linear concentration range where the biosensors can operate was 10 times higher for electrodes prepared with the LbL immobilization method than with the conventional crosslinking one. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Magnetic coupled electrochemistry: Exploring the use of superparamagnetic nanoparticles for capturing, transporting and concentrating trace amounts of analytes

We propose the use of functionalized superparamagnetic nanoparticles for capturing, and transporting analytes, in association with an external miniature magnet to deposit such nanocarrier species at the electrode surface. This approach can be employed for the electroanalytical determination of chemical species capable of interacting with the nanoparticles, or in the opposite case, to block their response at the electrode surface. The concept was successfully demonstrated by using aminofunctionalized nanoparticles to block the discharge of hexacyanoferrate(II) ions, and to enhance the signals of aquapentacyanoferrate(II) ions via coordination to the surface amino groups. Selective analysis was also performed for silver ions, surpassing the stripping methods in terms of versatility and usefulness. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.