Interferometric biosensors for rapid identification of nosocomial infections

Abstract

Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de un nuevo biosensor óptico como una técnica alternativa para la identificación de infecciones nosocomiales con el fin de determinar el tratamiento más eficaz y reducir el uso inespecífico de fármacos antimicrobianos de amplio espectro. Proponemos el uso de un nuevo sensor nanofótonico basado en un dispositivo interferométrico, el biosensor de guías de onda bimodales (BiMW) para un análisis rápido, específico, directo y altamente sensible de los diferentes patógenos asociados a infecciones nosocomiales y su resistencia a múltiples fármacos. En primer lugar, se evaluaron y optimizaron diferentes estrategias de biofuncionalización para conseguir una inmovilización eficiente de los elementos de bioreconocimiento que aseguran una detección bacteriana altamente sensible con suficiente selectividad y reproducibilidad, particularmente para la detección directa en matrices complejas tales como orina y líquido ascítico. Posteriormente, las estrategias optimizadas se utilizaron para la identificación de diversos patógenos nosocomiales como Bacillus cereus, Escherichia coli y Pseudomonas aeruginosa utilizando anticuerpos como elementos de bioreconocimiento. La detección de Escherichia coli se realizó en una matriz compleja como es el líquido ascítico humano. Finalmente, el biosensor BiMW se empleó para identificar bacterias resistentes a múltiples fármacos como: i) la identificación de Staphylococcus aureus resistente a meticilina (MRSA) usando un aptámero, que es capaz de discriminar entre un Staphylococcus susceptible a antibióticos y un Staphylococcus multirresistente y (ii) la detección ultra sensible de genes de E. coli resistentes a múltiples fármacos, sin la necesidad de una previa amplificación por PCR. En general, esta tesis aprovecha los conocimientos en biosensores fotónicos y en métodos bioanalíticos de nuestro Grupo de investigación para desarrollar una poderosa herramienta que permita la identificación directa y efectiva de patógenos nosocomiales y su resistencia a antibióticos.

This doctoral Thesis is focusing on the development of a novel optical biosensor as an alternative technique for the identification of nosocomial infections in a faster way. This new tool will also facilitate the finding of the most effective treatment for each patient, reduce the nonspecific use of broad-spectrum antimicrobial drugs, and facilitate new antibiotic treatments. We propose the use of a novel nanophotonic sensor based on an interferometric transducer device, the Bimodal Waveguide device (BiMW) for the rapid, specific, highly sensitive and direct analysis of different pathogens associated to nosocomial infections and their multidrug resistant. First, we assessed and optimized different biofunctionalization strategies for an efficient immobilization of the required biorecognition receptors, which ensure a highly sensitive bacterial detection with enough selectivity and reproducibility, particularly suitable for the direct detection in complex matrices, such as urine and ascitic fluid. The optimized strategies were employed for the identification of various nosocomial pathogens such as Bacillus cereus, Escherichia coli, and Pseudomonas aeruginosa using antibodies as biorecognition elements. The detection of Escherichia coli was done in human ascitic fluid. Finally, the BiMW biosensor was employed to identify the multidrug-resistant bacteria such as: i) the identification of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) using a specific aptamer, which is able to discriminate among a susceptible one to antibiotic and a multidrug-resistant Staphylococcus, and (ii) the ultra-sensitive detection of multidrug-resistant E. coli genes without PCR amplification. This Thesis takes advantage of the knowledge in photonics biosensors and bioanalytical methods in our Group in order to develop a powerful tool for the direct and effective identification of nosocomial pathogens and their antibiotic-resistance in a rapid and label-free scheme.