Development and application of innovative point-of-care biosensing platforms

Abstract

L'objectiu d'aquesta tesi ha estat el desenvolupament i l'aplicació de plataformes innovadores de biosensado en el punt d'atenció. La tesi es divideix en cinc capítols seguits d'una secció de conclusions generals. El capítol 1 comença amb una introducció general als conceptes de biosensors i biosensado en el punt d'atenció. Després, s'enfoca en una de les proves de punt d'atenció més reeixides: l'assaig de flux lateral (LFA). Els aspectes clau de l'assaig, com els components i reactius, els procediments de fabricació i operació estan coberts en profunditat. El capítol continua amb una revisió dels desafiaments actuals de LFA ha enfrontat i les millores més rellevants reportades en els últims anys. El Capítol 2 descriu breument els objectius que van motivar aquest treball. El capítol 3 presenta una nova plataforma de detecció (PEB) que combina les característiques clau d'un assaig de flux lateral, la prova de punt d'atenció més utilitzada, amb les capacitats de tractament de mostres de l'electroforesi. En particular, es demostra la capacitat de PEB per separar diferents tipus de partícules i detectar anticossos IgG humans en mostres de sang no tractades. Finalment, per fer que la plataforma sigui aplicable en el punt d'atenció, PEB es combina amb un telèfon intel·ligent que controla l'electroforesi i llegeix el senyal òptica generada. El Capítol 4 explica una estratègia simple i de baix cost per millorar el rendiment analític dels LFA. Mitjançant l'ús de barreres de cera solubles, les nanopartícules s'acumulen temporalment a la part superior de la línia de detecció (TL). Aquest pas estès d'incubació interna promou la formació de l'inmunocomplejo, generant una millora de sensibilitat i de senyal en comparació amb la detecció convencional de LFA per IgG humana (H-IgG). El capítol 5 presenta una plataforma de detecció en el punt d'atenció que consisteix en un microtub i dues peces de fibra de vidre. El principi de detecció es basa en la transferència d'energia de ressonància de Förster utilitzant nanoclústers d'or com a indicador de senyal i nanopartícules d'or conjugades amb anticossos com un desactivador. La plataforma ha estat validada per a la detecció d'Escherichia coli O157: H7 en aigua de riu i de l'aixeta, demostrant una elevada sensibilitat.

El objetivo de esta tesis ha sido el desarrollo y la aplicación de plataformas innovadoras de biosensado en el punto de atención. La tesis se divide en cinco capítulos seguidos de una sección de conclusiones generales. El Capítulo 1 comienza con una introducción general a los conceptos de biosensores y biosensado en el punto de atención. Luego, se enfoca en una de las pruebas de punto de atención más exitosas: el ensayo de flujo lateral (LFA). Los aspectos clave del ensayo, como los componentes y reactivos, los procedimientos de fabricación y operación están cubiertos en profundidad. El capítulo continúa con una revisión de los desafíos actuales de LFA ha enfrentado y las mejoras más relevantes reportadas en los últimos años. El Capítulo 2 describe brevemente los objetivos que motivaron este trabajo. El Capítulo 3 presenta una nueva plataforma de detección (PEB) que combina las características clave de un ensayo de flujo lateral, la prueba de punto de atención más utilizada, con las capacidades de tratamiento de muestras de la electroforesis. En particular, se demuestra la capacidad de PEB para separar diferentes tipos de partículas y detectar anticuerpos IgG humanos en muestras de sangre no tratadas. Finalmente, para hacer que la plataforma sea aplicable en el punto de atención, PEB se combina con un teléfono inteligente que controla la electroforesis y lee la señal óptica generada. El Capítulo 4 explica una estrategia simple y de bajo costo para mejorar el rendimiento analítico de los LFA. Mediante el uso de barreras de cera solubles, las nanopartículas se acumulan temporalmente en la parte superior de la línea de detección (TL). Este paso extendido de incubación interna promueve la formación del inmunocomplejo, generando una mejora de sensibilidad y de señal en comparación con la detección convencional de LFA para IgG humana (H-IgG). El Capítulo 5 presenta una plataforma de detección en el punto de atención que consiste en un microtubo y dos piezas de fibra de vidrio. El principio de detección se basa en la transferencia de energía de resonancia de Förster utilizando nanoclusters de oro como indicador de señal y nanopartículas de oro conjugadas con anticuerpos como un desactivador. La plataforma ha sido validada para la detección de Escherichia coli O157: H7 en agua de río y del grifo, demostrando una elevada sensibilidad.

The objective of this thesis has been the development and application of innovative biosensing platforms at the point of care. The thesis is divided into five chapters followed by a section of general conclusions. Chapter 1 begins with a general introduction to the concepts of biosensors and point-of-care biosensing. Then, it focuses on one of the most successful point-of-care tests: the lateral flow test (LFA). Key aspects of the assay, such as components and reagents, manufacturing and operating procedures are covered in depth. The chapter continues with a review of the current challenges LFA has faced and the most relevant improvements reported in recent years. Chapter 2 briefly describes the objectives that motivated this work. Chapter 3 introduces a new detection platform (PEB) that combines the key features of a lateral flow assay, the most widely used point-of-care test, with the capabilities of electrophoresis sample treatment. In particular, the ability of PEB to separate different types of particles and detect human IgG antibodies in untreated blood samples is demonstrated. Finally, to make the platform applicable at the point of care, PEB is combined with a smartphone that controls the electrophoresis and reads the generated optical signal. Chapter 4 explains a simple, low-cost strategy to improve the analytical performance of LFAs. By using soluble wax barriers, nanoparticles temporarily accumulate at the top of the detection line (TL). This extended internal incubation step promotes immunocomplex formation, generating improved sensitivity and signal compared to conventional LFA detection for human IgG (H-IgG). Chapter 5 presents a point-of-care detection platform consisting of a microtube and two pieces of fiberglass. The detection principle is based on Förster resonance energy transfer using gold nanoclusters as a signal indicator and antibody-conjugated gold nanoparticles as a quencher. The platform has been validated for the detection of Escherichia coli O157: H7 in river and tap water, demonstrating high sensitivity.