Nanoplasmonic biosensors for clinical diagnosis, drug monitoring and therapeutic follow-up

Abstract

Aquesta tesi doctoral té com a objectiu el desenvolupament de diversos biosensors que operen sense necessitat de marcatge addicional basats en dispositius plasmònics òptics per a la detecció directa de medicaments o biomarcadors relacionats amb diferents malalties i que són analitzats directament en mostres humanes com plasma, sèrum, orina o esput. Aquests dispositius biosensors ofereixen un sens fi de beneficis com és la seva alta sensibilitat, facilitat d’operació, l’obtenció de dades quantitatives, detecció sense marcatge en temps real, i comunament només necessiten d’un petit volum de mostra. Tot això converteix els biosensors plasmònics en eines analítiques molt adequades per al diagnòstic de malalties, el control de la medicació o el seguiment de teràpies personalitzades. El nostre grup d’investigació ha demostrat amb èxit la implementació de biosensors òptics basats en plasmònica i en fotònica de silici, inclòs el desenvolupament complet de bioaplicaciones, el que ha aplanat el camí de la seva futura transferència tecnològica per a la seva implementació com a dispositius Point-of-Care ( POC). Els biosensors desenvolupats en aquesta Tesi inclouen la seva optimització i validació completa amb mostres reals, exemplificant alguns desafiaments clínics en els quals aquests biosensors plasmònics poden superar importants limitacions de les tècniques d’anàlisi convencionals actuals, mostrant el seu potencial i versatilitat com a futurs dispositius POC per ser usats en les unitats d’atenció primària en salut o fins i tot en l’entorn domèstic per al propi autocontrol per part dels pacients. La tesi està organitzada en sis capítols. El capítol 1 conté la introducció dels conceptes bàsics i l’estat de l’art sobre els avenços actuals en les tècniques de diagnòstic i control de malalties i / o teràpies i el paper que exerceixen els biosensors per millorar-los. El capítol 2 inclou una descripció detallada de les plataformes biosensoras emprades i una descripció general dels processos metodològics. El Capítol 3 descriu el desenvolupament d’un dispositiu nanoplasmónico per al control terapèutic de l’medicament acenocumarol, un anticoagulant comunament administrat directament en plasma humà. El Capítol 4 es centra en el desenvolupament d’un biosensor plasmónico que serveixi com a control de la dieta lliure de gluten que han de portar els pacients celíacs. El Capítol 5 descriu les estratègies desenvolupades per a la detecció de dos biomarcadors per al diagnòstic primerenc de tuberculosi en mostres d’esput. Finalment, el Capítol 6 explora la detecció de quatre autoanticossos específics associats amb l’aparició de l’tumor directament en el sèrum humà com biomarcadors potencials per al diagnòstic primerenc de el càncer colorectal.

Esta Tesis Doctoral tiene como objetivo el desarrollo de diversos biosensores que operan sin necesidad de marcaje adicional basados en dispositivos plasmónicos ópticos para la detección directa de medicamentos o biomarcadores relacionados con diferentes enfermedades y que son analizados directamente en muestras humanas como plasma, suero, orina o esputo. Estos dispositivos biosensores ofrecen un sinnúmero de beneficios como es su alta sensibilidad, facilidad de operación, la obtención de datos cuantitativos, detección sin marcaje en tiempo real, y comúnmente sólo necesitan de un pequeño volumen de muestra. Todo esto convierte a los biosensores plasmónicos en herramientas analíticas muy adecuadas para el diagnóstico de enfermedades, el control de la medicación o el seguimiento de terapias personalizadas. Nuestro grupo de investigación ha demostrado exitosamente la implementación de biosensores ópticos basados en plasmónica y en fotónica de silicio, incluido el desarrollo completo de bioaplicaciones, lo que ha allanado el camino de su futura transferencia tecnológica para su implementación como dispositivos Point-of-Care (POC). Los biosensores desarrollados en esta Tesis incluyen su optimización y validación completa con muestras reales, ejemplificando algunos desafíos clínicos en los que dichos biosensores plasmónicos pueden superar importantes limitaciones de las técnicas de análisis convencionales actuales, mostrando su potencial y versatilidad como futuros dispositivos POC para ser usados en las unidades de atención primaria en salud o incluso en el entorno doméstico para el propio autocontrol por parte de los pacientes. La tesis está organizada en seis capítulos. El Capítulo 1 contiene la introducción de los conceptos básicos y el estado del arte sobre los avances actuales en las técnicas de diagnóstico y control de enfermedades y/o terapias y el papel que desempeñan los biosensores para mejorarlos. El Capítulo 2 incluye una descripción detallada de las plataformas biosensoras empleadas y una descripción general de los procesos metodológicos. El Capítulo 3 describe el desarrollo de un dispositivo nanoplasmónico para el control terapéutico del medicamento acenocumarol, un anticoagulante comúnmente administrado directamente en plasma humano. El Capítulo 4 se centra en el desarrollo de un biosensor plasmónico que sirva como control de la dieta libre de gluten que deben llevar los pacientes celíacos. El Capítulo 5 describe las estrategias desarrolladas para la detección de dos biomarcadores para el diagnóstico temprano de tuberculosis en muestras de esputo. Finalmente, el Capítulo 6 explora la detección de cuatro autoanticuerpos específicos asociados con la aparición del tumor directamente en el suero humano como biomarcadores potenciales para el diagnóstico temprano del cáncer colorrectal.

This Doctoral Thesis aims to the development of several label-free biosensing analytical strategies integrated within optical plasmonic devices for the direct detection of drugs or biomarkers related to different diseases in biological samples such as plasma, serum, urine, and sputum. These biosensor devices offer several benefits like their high sensitivity, ease of operation, quantitative data, label-free operation, and real-time detection, and commonly require a small sample volume. All this turn plasmonic biosensors into well-suited analytical tools for diagnosing diseases, monitoring medication, or for personalized therapies follow-up. Our research group has extensively demonstrated the successful conjunction of novel in-house optical biosensor configurations (like plasmonic and photonic-based designs) with the full demonstrations of bioapplications, which has paved the way for their potential technological transfer as Point-of-Care devices (POC) for clinical diagnostics. The biosensor assays here implemented, which include their full optimization and validation with real samples, exemplify clinical challenges where such biosensors can overcome limitations of current conventional analytical techniques. The results show the potential and versatility that plasmonic biosensors can offer as future POC devices placed in primary healthcare units or even in the household environment for patients’ self-monitoring. This thesis is organized into six chapters. Chapter 1 is the introductory one, which explains the basic concepts and the state of the art of the current advances in diagnosis and monitoring techniques of diseases and/or therapies and the role of biosensors to improve them. Chapter 2 includes a detailed description of the biosensor platforms employed and a general description of the methodological processes. Chapter 3 is related to the development of a nanoplasmonic device for the therapeutic monitoring of the drug acenocoumarol, a commonly administered anticoagulant, directly in human plasma. Chapter 4 focuses on the implementation of a plasmonic biosensor that monitors the gluten-free diet in urine in celiac patients. Chapter 5 describes the biosensing strategies developed for the detection of two biomarkers for the early diagnosis of tuberculosis in sputum samples. Finally, Chapter 6 explores the detection of four specific autoantibodies associated with the tumor onset directly in human serum as potential biomarkers for the early detection of colorectal cancer.