Development of disposable microfluidic devices for bioanalytical applications

Abstract

This thesis was conducted as part of a joint supervision between the Universidade Federal de Goiás (Goiânia, Brazil) and Chimie ParisTech PSL. Initiated in Brazil at the onset of the pandemic, the work developed during the Ph.D. at the Brazilian institution focused on developing LAMP-based methodologies for COVID-19 diagnosis. Loop-mediated isothermal amplification (RT-LAMP) was used to create a simple and low-cost test during the COVID-19 pandemic. This test was implemented at the point of care in an overwhelmed hospital where standard tests were not feasible, providing rapid and accurate diagnoses. Additionally, we proposed a non-invasive tracking method based on RNA extracted from the saliva of essential workers during the pandemic, which proved practical and effective for frequent testing. The preliminary transposition of this methodology to a paper-based platform showed promising results for realtime monitoring of infections, particularly SARS-CoV-2, at the point of care. Within the scope of the cotutella, subsequent work was carried out in the French laboratory to develop and optimize a paper-based platform for protein isoelectric focusing, aiming to integrate proteomic analysis steps into a microdevice. In this thesis, we developed diagnostic systems for biomolecules applied or applicable at the point of care. For protein analysis, isoelectric focusing on a paper-based platform allowed precise and reproducible protein separation, including in real samples, with acceptable resolution and efficiency. This system represents a significant step forward in a broader project aimed at integrating all proteomic steps into a single chip. The successful development of biomolecule analysis methods prioritizing cost-effectiveness, speed, and simplicity highlights the potential of paper as a platform for these diagnostic tests. Paper proved to be a suitable and accessible platform for conducting these tests, emphasizing its potential in resource-limited settings.

Cette thèse a été efectuée dans le contexte d’une co-tutelle entre l’Université Fédérale de Goias (Goiania, Brésil) et Chimie ParisTech PSL. Elle a débuté au Brésil, au début de la pandémie, ce qui a très fortement orienté le travail dans le laboratoire brésilien. Loop mediated isothermal amplification a été utilisée pour créer un test simple et économique pendant la pandémie de COVID-19. Nous avons mis en œuvre ce test au point de soins dans un hôpital submergé par le nombre de patients, où les tests standards n’étaient pas réalisables. Notre test a fourni des diagnostics rapides et précis. De plus, nous avons proposé une méthode de dépistage non invasive basée sur l’ARN extrait de la salive des travailleurs essentiels durant la pandémie, qui s’est révélée à la fois pratique et efficace pour des tests fréquents. La transposition préliminaire de cette méthodologie à une plateforme en papier a montré des résultats prometteurs pour le suivi en temps réel des infections, en particulier celles du SARS-CoV-2, au point-of-care. Dans le cadre de la co-tutelle, des travaux ont été effectués ensuite dans le laboratoire français pour le développement et l'optimisation d'une plateforme papier pour la focalisation isoélectrique des protéines, en vue d'intégrer toutes les étapes de l'analyse protéomique dans un microdispositif. Dans ce travail, nous avons développé des systèmes de diagnostic pour les biomolécules appliqués ou applicables au point-of-care. Nous avons mis le focalisation isoélectrique sur une plateforme à base de papier, obtenant une séparation des protéines précise et reproductible, y compris dans des échantillons réels, avec une résolution et une efficacité acceptables. Ce système représente une étape supplémentaire dans un projet plus vaste visant à intégrer toutes les étapes protéomiques sur une seule puce. Le développement réussi de méthodes d’analyse des biomolécules, privilégiant l’économie, la rapidité et la simplicité, met en lumière le potentiel du papier en tant que plateforme pour ces tests diagnostiques. Le papier s’est avéré être une plateforme adaptée et accessible pour la réalisation de ces tests, soulignant son potentiel dans des contextes à ressources limitées.