One-step electrochemical magneto assays for the development of point-of-care (POC) diagnostic devices

Abstract

Un dels majors reptes per a monitoritzar i millorar la salut de la població a nivell mundial és la manca de proves de diagnòstic apropiades per a la detecció primerenca de malalties, la selecció de tractaments apropiats i el seguiment de pacients al llarg del temps. La disponibilitat d’eines de diagnòstic prou ràpides, sensibles i robustes és crucial per aconseguir el benestar dels pacients a tot el món. En aquest context, la nanotecnologia i el desenvolupament de biosensors són camps en ràpida evolució que han generat grans expectatives, produint proves més ràpides i més fàcils de realitzar que la majoria dels mètodes clàssics. Els biosensors s’han descrit en base a l’ús d’una àmplia varietat d’elements de biotecnologia i tipus de transducció de senyals. Entre ells, els biosensors electroquímics són el tipus més comú en ús avui en dia gràcies a la portabilitat i el baix cost de l’equip de mesura, les mesures ràpides, robustes i quantitatives proporcionades, i la facilitat de miniaturització de tot el sistema de detecció. La recent incorporació de paper per a la producció d’elèctrodes impresos en paper i assajos electroquímics de flux lateral està fomentant el desenvolupament de dispositius extremadament econòmics que, gràcies a les propietats fluídicas del paper, permeten reduir la complexitat de l’assaig i el nivell de manipulació per al usuari final. Això afavoreix el desenvolupament de dispositius de diagnòstic de \”Point-of-care\” (POC), que poden ser utilitzats directament pel pacient o als centres d’atenció primària de salut. D’altra banda, les partícules magnètiques (PM) s’han utilitzat amb gran èxit en l’optimització dels magneto-biosensors. Les PM són atractives per a aquest propòsit perquè, un cop modificades amb un bioreceptor apropiat, atorguen una preconcentració simple, ràpida i específica de l’analit objectiu. Les PM també ofereixen superfícies actives en 3D relativament grans, que es barregen amb agitació constant amb les mostres i permeten una ràpida unió amb els analits. No obstant això, les PM també presenta limitacions, com el seu maneig tediós i lent que només està a l’abast d’usuaris altament capacitats. L’objectiu principal d’aquest projecte de tesi doctoral va ser la producció de magneto-biosensors electroquímics ràpids, fàcils de realitzar, robustos i sensibles per a la detecció de biomarcadors de diagnòstic en mostres de sèrum, plasma i sang. Com es mostrarà, això s’ha aconseguit en dos nivells. Primer, desenvolupant un format de magneto-immunoassaig extremadament ràpid i simple. En segon lloc, fabricant elèctrodes de paper microfluids simples i econòmics, que van ser explotats per dur a terme en el xip la majoria dels passos del magneto-immunoassaig simplificat amb la mínima intervenció de l’usuari.

Uno de los mayores desafíos para monitorear y mejorar la salud de la población a nivel mundial es la falta de pruebas de diagnóstico apropiadas para la detección temprana de enfermedades, la selección de tratamientos apropiados y el seguimiento de pacientes a lo largo del tiempo. La disponibilidad de herramientas de diagnóstico suficientemente rápidas, sensibles y robustas es crucial para lograr el bienestar de los pacientes en todo el mundo. En este contexto, la nanotecnología y el desarrollo de biosensores son campos en rápida evolución que han generado grandes expectativas, produciendo pruebas más rápidas y más fáciles de realizar que la mayoría de los métodos clásicos. Los biosensores se han descrito en base al uso de una amplia variedad de elementos de biotecnología y tipos de transducción de señales. Entre ellos, los biosensores electroquímicos son el tipo más común en uso hoy en día gracias a la portabilidad y el bajo costo del equipo de medición, las medidas rápidas, robustas y cuantitativas proporcionadas, y la facilidad de miniaturización de todo el sistema de detección. La reciente incorporación de papel para la producción de electrodos impresos en papel y ensayos electroquímicos de flujo lateral está fomentando el desarrollo de dispositivos extremadamente económicos que, gracias a las propiedades fluídicas del papel, permiten reducir la complejidad del ensayo y el nivel de manipulación para el usuario final. Esto favorece el desarrollo de dispositivos de diagnóstico de \”Point-of-care\” (POC), que pueden ser utilizados directamente por el paciente o en los centros de atención primaria de salud. Por otro lado, las partículas magnéticas (PM) se han utilizado con gran éxito en la optimización de los magneto-biosensores. Las PM son atractivos para este propósito porque, una vez modificados con un bioreceptor apropiado, otorgan una preconcentración simple, rápida y específica del analito objetivo. Las PM también ofrecen superficies activas en 3D relativamente grandes, que se mezclan bajo agitación constante con las muestras y permiten una rápida unión con los analitos. Sin embargo, las PM también presenta limitaciones, como su manejo tedioso y lento que solo está al alcance de usuarios altamente capacitados. El objetivo principal de este proyecto de tesis doctoral fue la producción de magneto-biosensores electroquímicos rápidos, fáciles de realizar, robustos y sensibles para la detección de biomarcadores de diagnóstico en muestras de suero, plasma y sangre. Como se mostrará, esto se ha logrado en dos niveles. Primero, desarrollando un formato de magneto-inmunoensayo extremadamente rápido y simple. En segundo lugar, fabricando electrodos de papel microfluidos simples y económicos, que fueron explotados para llevar a cabo en el chip la mayoría de los pasos del magneto-inmunoensayo simplificado con la mínima intervención del usuario.

One of the greatest challenges for monitoring and improving the health of the population at a global level is the lack of appropriate diagnostic tests for early detection of diseases, selection of appropriate treatments and patient follow-up over time. The availability of sufficiently fast, sensitive and robust diagnostic tools will be crucial to achieve patients’ well-being worldwide. In this context, nanotechnology and biosensor development are rapidly evolving fields that have generated great expectations, producing tests faster and easier to carry out than most classical methods. Biosensors have been described based on the use of a wide variety of biotechnology elements and types of signal transduction. Among them, electrochemical biosensors are the most common type in use today thanks to the portability and low cost of the measuring equipment, fast, robust and quantitative measures provided, and easiness of miniaturization of the whole detection system. The recent incorporation of paper and paper-like materials for the production of paper printed electrodes and lateral flow electrochemical assays is fostering the development of extremely inexpensive devices that, thanks to the fluidic properties of paper, allow reducing assay complexity and level of manipulation for the end user. This favours the development of "Point-of-Care" diagnostic devices (POC), which can be used directly by the patient or at primary health care centres. On the other hand, magnetic beads (MB) have been used with great success in the optimization of magneto-biosensors. MB are attractive for this purpose because, once modified with an appropriate bioreceptor, they grant simple, rapid and specific preconcentration of the targeted analyte. MB offer also relatively large 3D active surfaces, which mixed under constant agitation with the sample supply efficient and fast analyte binding as well. Nevertheless, MB display limitations too, requiring tedious and time-consuming handling that is only at reach of highly trained users. The main objective of this PhD Thesis project was the production of rapid, easy to perform, robust and sensitive electrochemical magneto-biosensors for the detection of diagnostic biomarkers in serum, plasma and blood samples. As it will be shown, this has been achieved at two levels. First, by developing an extremely fast and simple magnetoimmunoassay format. Second, by fabricating simple and inexpensive microfluidic paper electrodes, which were exploited to carry out on-chip most of the steps of the simplified magneto-immunoassay with minimal user intervention.