In vitro diagnostic tests and biosensing devices for pathogenic bacteria in clinical and environmental settings

Abstract

Un dels principals objectius al segle XXI és la necessitat de proves de diagnòstic ràpid, eficients i altament sensibles, especialment per a patògens emergents, noves malalties i biomarcadors, com una intervenció clau per reduir la mortalitat i prevenir la transmissió. La importància de les proves de diagnòstic ràpid s'ha destacat encara més amb l'esdevenir de la pandèmia. Aquesta tesi doctoral es centra en el disseny i el desenvolupament de proves de diagnòstic in vitro i dispositius biosensors per al diagnòstic i detecció de bacteris patògens tant en aplicacions ambientals com clíniques en entorns amb recursos limitats, amb l'objectiu principal d'aconseguir un dispositiu de fàcil ús mitjançant una intervenció mínima de l'usuari. En aquesta tesi s'han combinat múltiples elements per oferir una solució única i completa per resoldre els principals desafiaments en detectar bacteris en concentracions molt baixes i en grans volums de mostres. Així, es va dissenyar una estratègia pionera de preconcentració que integra partícules magnètiques i filtració. Aquesta nova tècnica millora significativament la capacitat de capturar i concentrar bacteris directament en filtres mitjançant la separació immunomagnètica per a la seva anàlisi posterior. La simplificació analítica s'aborda combinant la separació immunomagnètica i la marcació en un pas únic, amb l'objectiu de reduir significativament el temps d'anàlisi. Un altre objectiu és la incorporació d'un cartutx que realitza l'actuació magnètica i el rentat amb una operació simple, minimitzant la necessitat d'intervenció de l'usuari. Aquesta innovació contribueix a la simplicitat en l'ús i la reproductibilitat, eliminant etapes d'addició de reactius i rentat. Finalment, la lectura electroquímica en un dispositiu portàtil també és una innovació clau, permetent proves al lloc i al punt d'atenció. Aquesta portabilitat representa un canvi fonamental en l'aplicació dels biosensors electroquímics en entorns amb recursos limitats. Aquest procés simplificat és un avenç notable al camp, que permetrà estalviar temps i recursos valuosos. Finalment, s'explora l'ús de telèfons intel·ligents operats amb una aplicació per fer les mesures, amb l'objectiu de presentar estratègies que es puguin integrar en el disseny de proves de diagnòstic ràpid, fent-les més accessibles i rendibles per a entorns amb recursos limitats. Totes aquestes característiques podrien tenir implicacions rellevants en aplicacions del món real, duent a una millora significativa en el límit de detecció per a diverses aplicacions, superant els límits legislats en el monitoratge ambiental per a la detecció de Legionella pneumophila, E. coli i micobacteris ambientals, així com a la salut global per a la detecció de la tuberculosi.

Uno de los principales objetivos en el siglo XXI es la necesidad de pruebas de diagnóstico rápidas, eficientes y altamente sensibles, especialmente para patógenos emergentes, enfermedades novedosas y biomarcadores, como una intervención clave para reducir mortalidad y prevenir transmisión. La importancia de las pruebas de diagnóstico rápido se ha destacado aún más con el devenir de la pandemia. Esta tesis doctoral se centra en el diseño y desarrollo de pruebas de diagnóstico in vitro y dispositivos biosensores para el diagnóstico y detección de bacterias patógenas tanto en aplicaciones ambientales como clínicas en entornos con recursos limitados, con el objetivo principal de conseguir un dispositivo fácil de usar mediante una mínima intervención del usuario. En esta tesis se han combinado múltiples elementos para ofrecer una solución única y completa para solventar los principales desafíos al detectar bacterias en concentraciones muy bajas y en grandes volúmenes de muestras. Así, se diseñó una estrategia pionera de preconcentración que integra partículas magnéticas y filtración. Esta novedosa técnica mejora significativamente la capacidad de capturar y concentrar bacterias directamente en filtros mediante la separación inmunomagnética para su análisis posterior. La simplificación analítica se aborda combinando la separación inmunomagnética y la marcación en un único paso, con el objetivo de reducir significativamente el tiempo de análisis. Otro objetivo es la incorporación de un cartucho que realizó la actuación magnética y el lavado en un modo de operación sencillo, minimizando la necesidad de intervención del usuario. Esta innovación contribuye a la simplicidad en el uso y la reproducibilidad, eliminando los pasos de pipeteo y lavado. Finalmente, la lectura electroquímica en un dispositivo portátil también es una innovación clave, permitiendo pruebas en el lugar y en el punto de atención. Esta portabilidad representa un cambio fundamental en la aplicación de los biosensores electroquímicos en entornos con recursos limitados. Este proceso simplificado es un avance notable en el campo, que permitirán ahorrar tiempo y recursos valiosos. Finalmente, se explora el uso de teléfonos inteligentes operados con una aplicación para realizar las mediciones, con el objetivo de presentar estrategias que puedan integrarse en el diseño de pruebas de diagnóstico rápido, haciéndolas más accesibles y rentables para entornos con recursos limitados. Todas estas características podrían tener implicaciones relevantes en aplicaciones del mundo real, llevando a una mejora significativa en el límite de detección para diversas aplicaciones, superando los límites regulatorios en la monitorización ambiental para la detección de Legionella pneumophila, E. coli y micobacterias ambientales, así como en la salud global para la detección de la tuberculosis.

The 21st century place crucial emphasis on the need for efficient and highly sensitive, rapid diagnostic tests, especially in dealing with emerging pathogens, novel diseases and biomarkers, as a key intervention to reduce mortality and prevent transmission. The significance of rapid diagnostic testing has been further highlighted by the onset of the pandemic. The purpose of this doctoral thesis is to contribute to this field by enhancing the detection of pathogenic bacteria through electrochemical biosensing and in vitro diagnostic tests. This involves combining multiple elements to offer a unique and comprehensive solution to the challenges faced in detecting bacteria at very low concentration levels in large volumes of samples. According to this goal, this doctoral thesis introduces a pioneering preconcentration strategy that integrates magnetic particles and filtration. This novel technique significantly improves the ability to capture and concentrate bacteria directly on filters by immunomagnetic separation for downstream analysis. The analytical simplification is addressed by combining the immunomagnetic separation and labeling into a single step, aiming to significantly reduce the analysis time. Another goal is the incorporation of a cartridge to perform magnetic actuation and washing in a user-friendly operation mode, minimizing the need for user intervention. This innovation contributes to the ease of use and reproducibility, eliminating pipetting and washing steps. Finally, the electrochemical readout in a handheld device is also a key innovation, enabling on-site and point-of-care testing. This portability represents a fundamental shift in how electrochemical sensing can be applied in low-resource settings. This streamlined process is a noteworthy advancement in the field, saving valuable time and resources. Finally, the use of smart phones operated with an app to perform the measurements is explored, with the aim of presenting strategies that can be integrated into the design of rapid diagnostic tests, making them more accessible and cost-effective for low-resource settings. All these features could have significant implications for real-world applications, leading to a significant improvement in the limit of detections for various applications, surpassing regulatory limits in environmental monitoring for the detection of Legionella pneumophila, E. coli, and environmental mycobacteria and in global health for the detection of tuberculosis.