Universal diagnostic platforms based on oligonucleotide codified nanoparticles and DNA microarray devices

Abstract

La medicina personalitzada esta prenent rellevància últimament. Aquesta es basa en la monitorització simultània de diferents biomarcadors, els biomarcadors poden ser molècules de diferent naturalesa química. Aquest fet fa palesa la necessitat de desenvolupar aproximacions tecnològiques universals per al diagnòstic capaces de detectar aquests biomarcadors independentment de la seva naturalesa química. En aquests context, la principal finalitat del projecte és el desenvolupament d’una plataforma bioanalítica per al diagnòstic in vitro que sigui multiplexada (per més de un biomarcador) i multimodal (per biomarcadors de diferent naturalesa química). L’aproximació proposada pretén traduir qualsevol interacció biomolecular (biomarcador- bioreceptor) en una senyal amplificada d’ADN que serà finalment detectada en un bioxip d’ADN. Aquesta estratègia s’anomena biobarcode.

Com a prova de concepte de l’aproximació proposada ens hem centrat en la detecció de biomarcadors relacionats amb les malalties cardiovasculars (CVDs) i, també, en fàrmacs relacionats amb el càncer. CVDs són la principal causa de mort al món i inclouen un grup de desordres dels vasos coronaris i sanguinis. La detecció multiplexada i multimodal d’aquests biomarcadors podria ser de gran ajuda en el monitoratge de l’estat del pacient. Per altra banda, la segona causa de mort al món és el càncer, els fàrmacs utilitzats per tractar-lo s’anomenen cytostatics. La proximitat de la dosi tòxica i terapèutica dels fàrmacs cytostatics fa el monitoratge terapèutic dels fàrmacs (TDM) la clau per la optimització del tractament del càncer. Podem assumir que la monitorització del fàrmac juntament amb certs metabòlits milloraria la eficàcia i tolerabilitat, reduint la toxicitat.

Personalized therapy has become a crucial issue lately. It should be based on the simultaneous monitoring of different biomarkers which might include molecules of different chemical nature. This fact, calls for developing universal technological diagnostic approaches, able to determine these biomarkers, independently from their chemical nature, while modulating the necessary amplification factor. In this context, the aim of the project is to develop of a universal, multiplexed (for several biomarkers) and multimodal (biomarkers of different chemical nature) in vitro diagnostic bioanalytical platform. The proposed approach (Figure 1) pretends to translate any type of biomolecular interaction (bioreceptor-biomarker) into a PCR-less DNA amplification process that is finally detected on a DNA-microarray biosensor platform. This strategy is called biobarcode assay.

As proof-of-concept of the proposed approach, we have focused on the detection of biomarkers related to cardiovascular diseases (CVDs) and, also, drugs related to cancer disease. CVDs are the main cause of death in the world and include a group of disorders of the heart and blood vessels, multimodal and multiplexed detection of CVDs-related biomarkers would help the monitoring of patient status. Otherwise, the second cause of death worldwide is cancer; drugs used to treat cancer are called cytostatics. Closely levels of therapeutic and toxic doses of cytostatics make therapeutic drug monitoring the milestone for the optimization of cancer treatment. It can be assumed that monitoring of drug concentration jointly with main metabolites should improve efficacy and tolerability and reduce toxicity.

The main objective of the project will consist on demonstrating that it is possible to analyze targets of different chemical nature, and that the amplification can be modulated by varying the charge of oligonucleotides covalently attached to the nanoparticles.