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Développement de nanosondes ultraluminescentes pour la détection de métabolites du microbiote intestinal

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2022
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Une augmentation de la prévalence des maladies cardiométaboliques (CMD) et mentales est observée au sein des populations autochtones du Nord du Canada. Le passage d'une alimentation traditionnelle à une diète de type occidental pourrait être responsable d'une déstabilisation du microbiote intestinal, un ensemble de microorganismes participants à des processus physiologiques clé incluant la régulation du système immunitaire. Le suivi de l'évolution de biomarqueurs du tractus gastrointestinal en temps réel et de manière longitudinale permettrait de supporter l'élucidation des liens entre les habitudes alimentaires de l'hôte et sa diète. Cependant, cela est entravé par les méthodes d'analyse classiques relativement longues qui reposent sur le prélèvement d'échantillons sanguins ou de fèces, acheminés ensuite vers des laboratoires spécialisés. L'objectif général de ce projet consiste à développer une sonde permettant l'analyse des processus microbiens du tractus gastrointestinal en temps réel en se basant sur l'utilisation d'une fibre optique fonctionnalisée avec des nanoparticules fluorescentes. Dans le cadre de ce projet de thèse, nous avons démontré la possibilité d'utiliser l'agrégation de fluorophores avec des nanoparticules plasmoniques pour la détection d'acides lysophosphatidiques (LPA), des métabolites d'intérêt étant donné leur implication dans de nombreux processus, incluant la signalisation cellulaire, et dont une dysbiose est reliée à certains cancers. Tout d'abord, des sondes possédant une portion styrylpyridinium à titre de tête fluorescente ont été synthétisées afin d'optimiser l'interaction complémentaire avec les LPA tout en permettant leur immobilisation sur des particules plasmoniques. Une architecture cœur-coquille a été produite en combinant la croissance de germes pour l'obtention de particules d'argent, suivie d'un procédé Stöber modifié pour y déposer une fine coquille de silice d'épaisseur contrôlée. Leur fonctionnalisation avec les sondes moléculaires a été réalisée par l'utilisation de silanes afin de leur conférer une exaltation de fluorescence en plus d'une meilleure photostabilité. Dans le cas des sondes moléculaires, l'ajout de LPA cause une extinction de fluorescence pour de faibles concentrations d'analyte, mais une augmentation subséquente du signal pour des quantités plus élevées. Des analyses mécanistiques, incluant le titrage à calorimétrie isotherme de même que des analyses de temps de vie de fluorescence, ont permis d'investiguer le mécanisme de détection, en particulier la formation d'excimères. Dans le cas des suspensions colloïdales, c'est plutôt une amplification de signal qui est obtenue. Une caractérisation par suivi de nanoparticules a montré une agrégation des particules lors de l'ajout de LPA, indiquant une contribution potentielle du couplage plasmonique sur la tendance obtenue. Les perspectives du projet sont surtout reliées à l'immobilisation des particules fluorescentes sur une lamelle de microscopie ou même l'extrémité d'une fibre optique à titre de cathéter afin d'étudier l'impact de ce confinement sur les performances analytiques. La méthode d'analyse sera ensuite validée dans le but d'obtenir les concentrations métaboliques résolues spatialement et dans le temps.
Cardiometabolic disorders (CMD) and mental illnesses are increasingly prevalent pathologies found among indigenous populations of the northern Canada. Ongoing changes in their nutrition from country food to a western-type diet could give rise to a dysregulation of their gut microbiota, i.e., micro-organisms ongoing key physiological processes such as immune system regulation. Monitoring the longitudinal evolution of gut biomarkers in real-time would help decipher the links between the hosts diet and health. However, this is currently hampered by classical a posteriori analysis of fecal or gut samples. The overarching goal of the project is to develop an optical nanoprobe to monitor microbial processes in the gastrointestinal tract based on the use of an optical fiber functionalized with luminescent nanoparticles. During my thesis, we have demonstrated the possibility to use aggregation-based fluorescent transduction with the combination of plasmonic nanoparticles for lysophosphatidic acid (LPA) detection. LPA constitute targets of significant interest since they are involved in several processes, including cellular signalization, and of which a dysbiosis is related to several cancers. To begin with, molecular probes composed of a styrylpyridinium fluorescent head followed by a hydrophobic chain were synthesized to optimize the complementarity of interactions with LPA and allowing for their further immobilization on plasmonic nanoparticles. A core-shell nanoarchitecture was obtained by combining a seed-growth method for the silver nanoparticles core with a modified Stöber process to generate a silica shell of controlled thickness. Their surface functionalization with the fluorescent probe was achieved through the use of silane chemistry to bestow them with enhanced fluorescence intensity and photostability. In the case of the free molecular probes, adding LPA to the medium induces fluorescence quenching for small target concentrations, whereas a subsequent fluorescence enhancement is observed at higher LPA concentrations. Mechanistic investigations involving isothermal titration calorimetry and time-resolved fluorescence spectroscopy provided information on the potential transduction mechanism which would be related to the formation of excimers of the dyes. In the case of colloidal suspensions, a signal enhancement is obtained during titration with LPA. Nanoparticle tracking analysis revealed an aggregation of the nanoparticles when they interact with LPA, suggesting that plasmonic coupling is one of the contributions to the overall trend; the other mechanism would come from the local environment change at the surface of the particles. For the future works of the project, the fluorescent plasmonic nanoparticles will be immobilized on a glass substrate (microscope glass slide or optical fiber) to determine the impact of this constraint on the analytical performances of the sensor. The analytical method will further be validated in complex matrices to allow real-time and spatially-resolved measurements of gut metabolites in vivo.
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