Nanophotonic point-of-care biosensors for innovative clinical diagnosis of respiratory diseases

Abstract

Els mètodes convencionals per al diagnòstic de les malalties respiratòries es basen principalment en les proves clíniques per imatge. Complementar aquesta anàlisi amb una avaluació molecular pot proporcionar un diagnòstic més adequat i complet. No obstant això, les tècniques moleculars impliquen llargs temps d’espera i sofisticades tècniques i instal·lacions. Aquesta Tesi Doctoral té com a objectiu principal oferir avançats biosensores basats en ones evanescents com una interessant alternativa per al diagnòstic clínic de diverses malalties respiratòries. Hem implementat un biosensor de ressonància de plasmó superficial (SPR) i un biosensor interferomètric de guia d’ona bimodal (BiMW), que ofereixen una anàlisi directa, sensible i ràpid de biomarcadors específics utilitzant un volum de mostra reduït. El seu potencial d’integració en les plataformes analítiques de point-of-care (POC) els situa com a excel·lents tecnologies per a un diagnòstic més eficaç de les malalties. Al llarg de la tesi, s’han dissenyat i implementat diverses metodologies de biosensores que permeten la detecció directa de biomarcadors relacionats amb el pulmó en fluids biològics. La immobilització del biorreceptor, les propietats antifouling de la capa de biorreconeixement i la detecció dels biomarcadors s’han optimitzat i avaluat en termes de sensibilitat, especificitat i reproductibilitat. En aquesta Tesi, hem desenvolupat: (i) un assaig serològic ràpid i quantitatiu per a la detecció d’anticossos anti-SARS-CoV-2; (ii) un assaig genètic sense amplificació per a la identificació de Pneumocystis pneumonia en mostres respiratòries; i (iii) un enfocament nou per a la detecció precoç del càncer de pulmó basat en un panell de biomarcadors que combina anàlits proteics i epigenètics presents en el plasma humà. El treball d’aquesta tesi ha obert la porta a enfocaments analítics innovadors per al diagnòstic de trastorns relacionats amb el pulmó, superant algunes de les limitacions de les tècniques analítiques convencionals i mostrant un enorme potencial per a la seva implementació en dispositius POC aplicables en la pràctica clínica real.

Los métodos convencionales para el diagnóstico de las enfermedades respiratorias se basan principalmente en las pruebas clínicas por imagen. Complementar este análisis con una evaluación molecular puede proporcionar un diagnóstico más adecuado y completo. Sin embargo, las técnicas moleculares implican largos tiempos de espera y sofisticadas técnicas e instalaciones. Esta Tesis Doctoral tiene como objetivo principal ofrecer avanzados biosensores basados en ondas evanescentes como una interesante alternativa para el diagnóstico clínico de diversas enfermedades respiratorias. Hemos implementado un biosensor de resonancia de plasmón superficial (SPR) y un biosensor interferométrico de guía de onda bimodal (BiMW), que ofrecen un análisis directo, sensible y rápido de biomarcadores específicos utilizando un volumen de muestra reducido. Su potencial de integración en las plataformas analíticas de point-of-care (POC) los sitúa como excelentes tecnologías para un diagnóstico más eficaz de las enfermedades. A lo largo de la tesis, se han diseñado e implementado varias metodologías de biosensores que permiten la detección directa de biomarcadores relacionados con el pulmón en fluidos biológicos. La inmovilización del biorreceptor, las propiedades antifouling de la capa de biorreconocimiento y la detección de los biomarcadores se han optimizado y evaluado en términos de sensibilidad, especificidad y reproducibilidad. En esta Tesis, hemos desarrollado: (i) un ensayo serológico rápido y cuantitativo para la detección de anticuerpos anti-SARS-CoV-2; (ii) un ensayo genético sin amplificación para la identificación de Pneumocystis pneumonia en muestras respiratorias; y (iii) un enfoque novedoso para la detección temprana del cáncer de pulmón basado en un panel de biomarcadores que combina analitos proteicos y epigenéticos presentes en el plasma humano. El trabajo de esta tesis ha abierto la puerta a enfoques analíticos innovadores para el diagnóstico de trastornos relacionados con el pulmón, superando algunas de las limitaciones de las técnicas analíticas convencionales y mostrando un enorme potencial para su implementación en dispositivos POC aplicables en la práctica clínica real.

The conventional methods for the diagnosis of respiratory diseases rely mainly on the clinical evidence by imaging. Complementing such analysis with a molecular evaluation can provide a more suitable and exhaustive diagnosis. However, all these technologies imply long times-to-result and sophisticated techniques and laboratories. This Doctoral Thesis has as main objective to offer novel evanescent wave-based biosensors as a valuable alternative solution for the clinical diagnosis of several respiratory diseases. We have implemented a surface plasmon resonance biosensor (SPR) and a bimodal waveguide (BiMW) interferometric biosensor, which both offer direct, sensitive, and rapid analysis of specific biomarkers using a reduce sample volume. Their potential for integration into point-of-care (POC) analytical platforms positions them as excellent technologies for a more effective disease diagnosis. Along the Thesis, several biosensor methodologies have been designed and implemented allowing the direct detection of lung-related biomarkers in biological fluids. Bioreceptor immobilisation, antifouling properties of the bioreceptor layer and biomarkers detection have been optimised and evaluated in terms of sensitivity, specificity and reproducibility. In this Thesis, we have developed: (i) a rapid and quantitative serological assay for the detection of anti-SARS-CoV-2 antibodies; (ii) an amplification-free genetic assay for Pneumocystis pneumonia identification in respiratory specimens; and (iii) a novel approach to the early detection of lung cancer based on a biomarker panel combining protein and epigenetic analytes present in human plasma. The work in this thesis has opened the door to innovative analytical approaches for the diagnosis of lung-related disorders, overcoming some of the limitations of the conventional analytical techniques and exhibiting an enormous potential for their implementation in POC devices applicable in the real clinical practice.