Low-cost point-of-care biosensor device for clinical diagnosis in developing countries

Abstract

Actualment el diagnòstic de Tuberculosi (TB) es realitza en laboratoris centralitzats, emprant equips voluminosos, reactius complexos i personal capacitat, augmentant els costos i el temps per obtenir els resultats. Per aquesta raó, l’objectiu d’aquesta tesi doctoral és el desenvolupament d’una plataforma point-of-care (POC) capaç d’oferir una resposta ràpida i fiable en el diagnòstic de TB. Per dur a terme aquest objectiu, la plataforma POC integra un nou sensor fotònic incorporat en un cartutx de micofluídica d’un sol ús. El sensor fotònic consisteix en un conjunt de interferòmetres Mach-Zehnder que ofereixen una alta sensibilitat. En primer lloc, es va dur a terme una caracterització òptica per estudiar el rendiment de la plataforma POC i la seva capacitat per a ser emprada en aplicacions biosensoras. Un cop caracteritzada òpticament, es van avaluar diferents estratègies de biofuncionalització per incorporar anticossos específics com a bioreceptors a la superfície del sensor. Després d’un estudi en profunditat, es va seleccionar i es va emprar l’estratègia de biofuncionalització òptima per l’anàlisi dels biomarcadors de TB. Els biomarcadors de TB es van avaluar tant en solució tampó com en mostres biològiques, particularment en orina humana. El biomarcador més prometedor i conegut de TB és el lipoarabinomanan (LAM), un component de la paret cel·lular bacteriana. En concret, la detecció d’aquest biomarcador va ser validada amb mostres clíniques de pacients amb TB i donants sans, mostrant la capacitat de la nostra plataforma POC per discriminar aquells pacients amb tuberculosi activa. A més, el disseny del sensor fotònic permet la detecció simultània de sis biomarcadors diferents. Tenint en compte això, hem dut a terme una prova de concepte de l’ús de la plataforma biosensora POC per a la detecció d’un panell de biomarcadors de TB utilitzant nanolitografía Dip-Pen per a la deposició de cada bioreceptor en cada sensor. Els nostres resultats, validats en estudis clínics més amplis, podrien tenir importants implicacions diagnòstiques. A més, el nostre biosensor POC ofereix una sèrie d’avantatges en comparació amb els mètodes recomanats per l’Organització Mundial de la Salut.

Actualmente el diagnóstico de Tuberculosis (TB) se realiza en laboratorios centralizados, empleando equipos voluminosos, reactivos complejos y personal capacitado, aumentando los costes y el tiempo para obtener los resultados. Por esta razón, el objetivo de esta Tesis Doctoral es el desarrollo de una plataforma point-of-care (POC) capaz de ofrecer una respuesta rápida y fiable en el diagnóstico de TB. Para llevar a cabo este objetivo, la plataforma POC integra un novedoso sensor fotónico incorporado en un cartucho de micofluídica desechable. El sensor fotónico consiste en un conjunto de interferómetros Mach-Zehnder que ofrecen una alta sensibilidad.

En primer lugar, se llevó a cabo una caracterización óptica para estudiar el rendimiento de la plataforma POC y su capacidad para ser empleada en aplicaciones biosensoras. Una vez caracterizada ópticamente, se evaluaron distintas estrategias de biofuncionalización para incorporar anticuerpos específicos como bioreceptores a la superficie del sensor. Después de un estudio en profundidad, se seleccionó y empleó la estrategia de biofuncionalización óptima para el análisis de los biomarcadores de TB. Los biomarcadores de TB se evaluaron tanto en solución tampón como en muestras biológicas, particularmente en orina humana. El biomarcador más prometedor y conocido de TB es el lipoarabinomanano (LAM), un componente de la pared celular bacteriana. En concreto, la detección de este biomarcador fue validada con muestras clínicas de pacientes con TB y donantes sanos, mostrando la capacidad de nuestra plataforma POC para discriminar a aquellos pacientes con Tuberculosis activa. Además, el diseño del sensor fotónico permite la detección simultánea de seis biomarcadores distintos. Teniendo esto en cuenta, hemos llevado a cabo una prueba de concepto del empleo de la plataforma biosensora POC para la detección de un panel de biomarcadores de TB utilizando nanolitografía Dip-Pen para la deposición de cada bioreceptor en cada sensor.

Nuestros resultados, validados en estudios clínicos más amplios, podrían tener importantes implicaciones diagnósticas. Además, nuestro biosensor POC ofrece una serie de ventajas en comparación con los métodos recomendados por la Organización Mundial de la Salud.

Nowadays, Tuberculosis (TB) diagnosis is carried out at centralised laboratories, employing bulky equipment, complex reagents, and trained staff, increasing costs and the time to obtain the results. For that reason, the aim of this Doctoral Thesis is to develop a point-of-care (POC) platform able to deliver a prompt and reliable response to TB diagnosis, taking advantage of a highly sensitive evanescent wave optical sensor. The POC platform integrates a novel photonic sensor consisting of a Mach-Zehnder Interferometer transducer array incorporated in a disposable microfluidic cartridge.

Firstly, an optical characterisation was carried out to study the new POC performance and its ability to be employed for biosensing applications. Once the POC platform was optically characterised, diverse biofunctionalisation strategies were tested in order to incorporate specific antibodies as bioreceptors to the sensor surface. After an in-depth study, the optimal biofunctionalisation strategy was selected and employed for the analysis of the TB biomarkers. The TB biomarkers were evaluated in both buffer and biological samples, particularly human urine. The most promising and well-known TB biomarker was lipoarabinomannan (LAM), a bacterial cell wall component. In particular, this biomarker detection was validated with clinical samples from TB patients and healthy donors, showing the ability of our POC platform to discriminate those patients with active TB. Moreover, taking advantage of the photonic sensor design, which allows the simultaneous detection of six different biomarkers, we initiated the proof-of-concept of the POC platform for a TB biomarker panel detection using Dip-Pen Nanolithography for each corresponding bioreceptor deposition.

Our results, if validated with larger clinical studies, could have important diagnostic implications taking into account the advantages added by our POC biosensor in comparison with the methods recommended by the World Health Organisation.