Development of a wearable tool for detecting ovulation in cattle : from the definition of microneedles to collect interstitial fluids, to the development of an aptasensor
Développement d’un outil embarqué de détection des ovulations chez les bovins : de la définition d’un système de microaiguilles pour prélever les fluides interstitiels, au développement d’un aptasensor
Résumé
In cattle herds using animal insemination (80% of dairy and 13% of suckling cows), reproductive management involves a decisive step that consists of detecting the ovulation time. This step conditions the success of the reproduction and, consequently, the economic results of the farm. Traditionally, ovulation detection is done by observing the sexual behaviour (oestrus or heat) that cows express in the 25 to 30 hours preceding ovulation. However, oestrus detection faces two major problems: 1/ the increase in herd size, which makes this activity particularly time-consuming, and 2/ a reduction in oestrus expression (in duration and intensity) observed in animals with high milk production potential. Defects in oestrus expression challenge the tools used to help detect ovulations based on the recording of sexual behaviour and lead to the development of tools based on the monitoring of physiological signals (hormonal dynamics) that announce ovulation. This thesis, supported by INRAE, VetAgro Sup and CEA, aims to create a first prototype for monitoring the reproductive hormones in the form of a portable patch capable of measuring hormone concentrations during the ovarian cycle from interstitial fluid samples. This device will be able to predict the occurrence of ovulation associated with a peak in oestradiol, after the fall in progesterone and will warn the breeder. In this context, this thesis work aimed to develop the first technological building blocks of the patch. The first step was the design and creation of hollow microneedles (MNs). Their role is to collect the interstitial fluids (between the cells of the dermis) in which the hormones are present. Parallel research for the location of the patch on the cow helped to define the length required for the MNs to reach the targeted tissues. Secondly, the development of a microfluidic network to deliver the fluids from the MNs to a measurement chamber. The third and final part developed during this thesis was the biosensor for hormone detection. Using graphene-based SGFET (solution-gated-field-effect-transistors) technology, various biological detection tests were realized using model molecules to understand the biosensor’s response in liquid environment. Finally, hormones detection tests were performed using aptamers (small single-stranded DNA) as probes. To be competitive on the market, the patch will have to be easy to use for the farmer without veterinary assistance, to be affordable, made of biocompatible materials and comfortable enough not to be a source of discomfort for the cow. The communication between the patch and the farmer is not part of the objectives of this thesis and will be developed later on the SmartRepro project.
Dans les troupeaux bovins pratiquant l’insémination animale (80% des vaches laitières et 13% des vaches allaitantes), la gestion de la reproduction passe par une étape déterminante: la détection des ovulations. Cette étape conditionne la réussite de la reproduction et, de ce fait, les résultats économiques de l’exploitation. Traditionnellement, la détection des ovulations se fait par l’observation des comportements sexuels (œstrus ou chaleurs) que les vaches expriment dans les 25 à 30 heures qui précèdent l’ovulation. La détection des œstrus se heurte toutefois à deux problèmes majeurs : 1/ l’agrandissement de la taille des troupeaux qui rend cette activité particulièrement chronophage et 2/ une réduction de l’expression de l’œstrus (en durée et en intensité) observée chez les animaux à fort potentiel laitier. Les défauts d’expression des œstrus remettent en question les outils d’aide à la détection des ovulations basés sur l’enregistrement des comportements sexuels et orientent les réflexions vers le développement d’outils s’appuyant sur le suivi de signaux physiologiques (dynamiques hormonales) annonciateurs de l’ovulation. Le projet de cette thèse, porté par l'INRAE, VetAgro Sup et le CEA, est de créer un premier prototype de monitoring des hormones de la reproduction sous forme d’un patch portable capable de mesurer les concentrations en hormones au cours du cycle ovarien à partir de prélèvements de fluides interstitiels. Ce dispositif sera en mesure de prédire l’occurrence d’une ovulation associée à un pic d’œstradiol détecté après la chute de progestérone et d’en avertir l’éleveur. Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont visé à développer les premières briques technologiques du patch. La première étape fut la conception et la création de microaiguilles (MAs) creuses. Leur rôle est de collecter les fluides interstitiels (entre les cellules du derme) dans lesquels les hormones sont présentes. Une recherche en parallèle de l’emplacement du patch a permis de définir la longueur requise pour les MAs afin d’atteindre les tissus cibles situés dans le derme. Deuxièmement, le développement d’une carte microfluidique pour amener les fluides des MAs jusqu’à la chambre de mesure. La troisième et dernière partie développée au cours de cette thèse est le biocapteur pour la détection des hormones. En utilisant la technologie SGFET (solution-gated-field-effect-transistors) à grille de graphène, différents tests de détection biologiques ont été réalisés avec des molécules modèles pour comprendre la réponse de ce type de capteur émergent avant de passer à la détection des hormones en utilisant des aptamères (petit ADN simple brin) comme sondes. Pour être compétitif sur le marché, le patch devra être facile d’utilisation pour l'éleveur sans aide vétérinaire, peu coûteux, suffisamment confortable pour ne pas être source d'inconfort pour la vache et être développé avec des matériaux biocompatibles pour ne pas induire de réactions inflammatoires. La communication entre le patch et l'éleveur ne fait pas partie des objectifs de thèse et sera développée ultérieurement.
Domaines
Génie chimique| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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