Phage-Based Surface Plasmon Resonance Strategies for the Detection of Pathogens

La prévalence croissante des infections bactériennes ayant acquis une résistance aux antibiotiques a créé une crise mondiale en terme de santé publique. Effectivement, l'échec de la médecine traditionnelle pour le traitement efficace de ces infections implique un coût sociétal annuel de 35 milliards de dollars aux États-Unis. Avec les déboires des stratégies conventionnelles de traitement, le diagnostic précoce de pathogènes bactériens résistants aux antibiotiques, tel que le Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM), devient primordial pour la prévention et le traitement rapide et efficace des infections. Cependant, les techniques de détection courantes, telles que des tests de culture microbiologiques standards, la réaction en chaîne par polymérase (PCR), les dosages immunologiques, les techniques de fluorescence et la spectrophotométrie, présentent plusieurs inconvénients; notamment, ces techniques requirent des étapes de préenrichissement, un personnel médical hautement qualifié, un temps d'analyse relativement long et des coûts élevés. Il y a donc un besoin pressant pour une méthode de détection rapide, fiable, sensible, spécifique et à coût modique pour la détection de pathogènes. Cette dernière décennie a vue l'émergence de plusieurs biocapteurs pour fins biomédicales. Cependant, ces capteurs s'appuient majoritairement sur l'utilisation d'anticorps. Ces éléments de reconnaissance présentent plusieurs inconvénients (e.g. coûts de production élevés, instabilité face aux fluctuations environnementales, etc.). Dans ce travail, nous favorisons donc une approche basée sur les bactériophages, des virus qui reconnaissent spécifiquement leurs hôtes bactériens, peuvent distinguer entre les cellules vivantes et les cellules mortes, sont robustes et ont de faibles coûts de production. Dans ce travail pluridisciplinaire, nous combinons la biologie moléculaire, la virologie, la microbiologie, la chimie des surfaces, la nanotechnologie et le génie physique afin de façonner une méthode innovante, potentiellement miniaturisable, pour la détection clinique d'agents pathogènes à l'aide de bactériophages spécifiques comme éléments de reconnaissance.

Abstract

The ever-increasing prevalence of multidrug-resistant infections has created a global public health crisis with the failure for conventional medicine to effectively treat patients, resulting in prolonged hospital occupency, greater risk of death and annual societal cost reaching over $35 billion in the United-States alone. With the failure of conventional treatment strategies, early diagnosis of drug-resistant bacterial pathogens, such as methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), becomes primordial in preventing resultant life-threatening illnesses. Conventional detection techniques, such as standard culture-based assays, polymerase chain reaction (PCR), immunological assays, fluorescence and spectrophotometry, suffer from several drawbacks including the requirement for pre-enrichement steps, lengthy assay times, high costs and the necessity for highly-trained medical personnel. There is a need for a rapid, reliable, inexpensive, sensitive and specific method for pathogen detection. The past decade has brought about the increased use of biosensing technologies, relying on the use of antibodies for biomedical purposes. These recognition elements suffer from several drawbacks including highcosts and limited shelve-lives. We thus turn our attention to bacteriophages, viruses that specifically recognize their bacterial hosts, can distinguish between live and death cells, are robust, easy to produce and cost effective. In this multidisciplinary work, we combine molecular biology, virology, microbiology, surface chemistry, nanotechnology and engineering physics to bring about an innovative, potentially miniaturizable method for the point of care detection of pathogens using specific bacteriophages as a recognition elements. We start by reviewing the basic principles and recent advances in biosensing technologies using optical, electrochemical and acoustic platforms for phage-based diagnostics. Although much notable work has been done, a low cost, specific, sensitive optical method for detecting low concentrations of pathogens, in a few minutes, has not been established. We conclude from the limited body of work on the subject that improving immobilization strategies and finding more