Clinical diagnosis and pathogen detection with a novel multiplexed nanophotonic point-of-care biosensor

Abstract

El trabajo que recoge esta tesis doctoral se centra en el estudio y aplicación de un nuevo biosensor nanofotónico con configuración de microarray en formato point-of-care para la detección y cuantificación directa y sin marcaje de varios biomarcadores clínicos y microorganismos patógenos. Este nuevo biosensor está basado en un microscopio interferométrico con un campo visual amplio que mide cambios en la fase en la luz producidos por variaciones en índices de refracción. Para ello, primero, se ha profundizado en la óptica del dispositivo para evaluar el potencial del dispositivo para la detección y cuantificación de biomoléculas. Posteriormente, se han desarrollado varios inmunoensayos en formato directo (usando anticuerpos como bioreceptores) basados en diferentes técnicas de biofuncionalización. A partir de las mejores condiciones, se ha desarrollado una estrategia reproducible que ha sido empleada para la detección de un panel de biomarcardores de interés clínico. Estos biomarcadores están relacionados con el diagnóstico de sepsis, una afección médica grave que se caracteriza por una reacción inflamatoria sistémica producida por una infección. Actualmente existe la necesidad urgente de establecer un diagnóstico rápido de la sepsis puesto que se trata de la principal causa de muerte en las unidades de cuidados intensivos de los hospitales (tasas de mortalidad entre un 40 y 50% en países desarrollados). Esta Tesis Doctoral combina los conocimientos del grupo de investigación en el ámbito del diseño y preparación de superficies biofuncionalizadas y en su implementación en el desarrollo de biosensores sencillos, rápidos y económicos como técnicas bioanalíticas competitivas con las técnicas convencionales usadas actualmente en diagnóstico clínico.

This Doctoral Thesis focuses on a novel point-of-care device based on a nanophotonic microarray biosensor for the direct and label-free quantification of multiple clinical biomarkers for clinical diagnosis and pathogen detection directly on patient’s sample. The recently developed biosensor is a new large-field-of-view interferometric microscope which measures phase shifts upon changes in refractive indexes. Firstly, the optical physics behind the novel device and its feasibility to be used for biomolecules detection and quantification have been evaluated. Then, several analytical assays based on the use antibodies as bioreceptors have been developed and their performance evaluated. Finally, with the aim of using it as a specific biosensor, the immunoassay that showed the best performance has been applied to actual biomarker detection. Specifically, the biomarkers selected are related with the diagnosis of sepsis, a clinical condition characterized for a grave whole-body inflammatory response caused by an infection. There is an urgent need for fast diagnosis of sepsis because this condition is currently the main cause of death in Intensive Care Units and its incidence is increasing worldwide with a mortality rate between 40 to 50% in developed countries. The work in this Thesis combines the wide knowledge of the research group in the design and creation of biofunctionalised surfaces and the implementation of bioanalytical techniques to achieve cheap, fast and robust biosensors that overcome current challenges related to costly and time-consuming clinical analysis.