Nanoplasmonic biosensors for clinical diagnosis at the point of care

Abstract

Aquesta Tesi Doctoral se centra en el desenvolupament de noves metodologies analítiques en biosensors òptics com a solucions alternatives per a la diagnosi o la monitorització terapèutica de diferents malalties, com ara l’al·lèrgia, la celiaquia o el càncer. En particular, es proposa l’ús de biosensors nanoplasmònics per a la detecció de biomarcardors presents en fluids humans de manera ràpida, sensible i que no requereixi d’amplificació de senyal o de l’ús d’etiquetes. Tant el ja ben establert biosensor de Ressonància de Plasmó Superficial (SPR) com un innovador biosensor nanoplasmonic basat en nanodiscs d’or han estat avaluats per a la seva aplicació real en l’àrea clínica. Les distintes metodologies biosensores presentades estan basades en l’ús d’anticossos, tant com a elements de bioreconeixement o com a biomarcadors específics de malalties. Primer, es presenta un estudi en profunditat de dues estratègies d’immobilització orientada d’anticossos per tal d’obtenir immunoassaigs en format directe de biomarcadors proteics en fluids biològics. En segon lloc, es proposa una nova estratègia immunosensora per a la detecció de pèptids derivats del gluten directament en orina com a tècnica ràpida i no invasiva per al control dietètic de pacients celíacs. A més, s’han desenvolupat dues metodologies utilitzant el biosensor nanoplasmònic per a detectar anticossos circulants en sang com a biomarcadors de malalties. Per una banda, s’ha dissenyat una estratègia alternativa per a la diagnosi d’al·lèrgia als medicaments (en particular a l’antibiòtic amoxicil·lina) basada en uns receptors dendrimèrics per a la detecció directa d’anticossos tipus IgE en sèrum. Finalment, s’ha avaluat una nova estratègia biosensora per a quantificar específicament autoanticossos tumorals per a la diagnosi precoç de càncer colorectal. El treball d’aquesta Tesi combina l’experiència del grup de recerca en el disseny i fabricació de tecnologia biosensora avançada i innovadora amb el desenvolupament de tècniques bioanalítiques i de química de superfície per tal de superar els reptes actuals relacionats amb el cost i el temps requerit per a les anàlisis clíniques. A més, l’àmplia experiència del grup de recerca en transferència tecnològica i les col·laboracions establertes durant la tesi doctoral amb empreses com Biomedal S.L. o Protein Alternatives S.L. obren oportunitats interesants de cara a facilitar el procés de transferència tecnològica per a la implementació real de biosensors tipus Point-of-Care.

This Doctoral Thesis focuses on the development of novel analytical methodologies in optical biosensors as alternative solutions for diagnosis or therapy monitoring of relevant diseases, such as allergy, celiac disease or cancer. In particular, we propose the use of nanoplasmonic biosensors for a rapid, sensitive and label-free detection of biomarkers present in human fluids. Both the well-known Surface Plasmon Resonance (SPR) biosensor and an innovative nanoplasmonic biosensor based on gold nanodisks surfaces have been evaluated for their real application in the clinical field. The different biosensor methodologies make use of antibodies, either as biorecognition elements in immunoassays or as specific disease biomarkers for diagnostics. First, an in-depth study of two site-directed antibody immobilization strategies is presented for the direct immunoassay of protein biomarkers in biological fluids. In second place, a novel immunosensing strategy is proposed for the detection of gluten-derivative peptides in urine as a rapid and non-invasive technique for dietary control in celiac patients. On the other hand, two assays have been developed employing the nanoplasmonic biosensor to detect blood circulating antibodies as disease biomarkers. First, we have designed an alternative approach for drug allergy diagnosis (in particular for amoxicillin) based on dendrimer-based receptors, which enable the detection IgE antibodies directly in serum. And second, a new biosensing strategy is assessed to quantify specific tumor-related autoantibodies for the early diagnosis of colorectal cancer. The work in this Thesis combines the wide knowledge of the research group in the design and fabrication of powerful biosensor technology with the development of surface activation chemistry and bioanalytical techniques to overcome current challenges related to costly and time-consuming clinical analysis. Besides, the strong experience of our research group in technological transfer and the established collaborations during this doctoral work with companies as Biomedal S.L. or Protein Alternatives S.L. open up interesting opportunities to facilitate the technology-transfer process for the real implementation of Point-of-Care biosensors.