Optical biosensors for the diagnosis of bacterial infections and antimicrobial therapy monitoring

Abstract

El diagnòstic i l’avaluació de l’eficàcia del tractament d’infeccions bacterianes inclouen pràctiques com la identificació de patògens, la determinació del seu patró de susceptibilitat o resistència als antibiòtics, i la monitorització de teràpies per a certs antibiòtics i grups de pacients. No obstant això, els mètodes actuals aplicats pels especialistes de salut solen fallar en determinar de manera ràpida quines són les bacteris implicades i en oferir la possibilitat de monitoritzar un antibiòtic a curt termini o en temps real, utilitzant preferentment mostres no tractades preses en el punt d’atenció del pacient. Aquesta tesi doctoral aborda la implementació de biosensors òptics innovadors i versàtils sense marcat per a la gestió de malalties infeccioses des de diferents perspectives que inclouen la identificació de bacteris per a proporcionar un diagnòstic i tractament més eficients, i la quantificació ràpida i monitorització de nivells d’antibiòtics amb rangs terapèutics estrets. Específicament, vam aconseguir: 1) la creació de biosensors plasmònics per a la quantificació d’amikacina i colistina en sèrum sanguini, fent-los adequats per a la monitorització terapèutica de fàrmacs; i el desenvolupament de biosensors fotònics de silici per a 2) la identificació i quantificació a baixes concentracions d’Helicobacter pylori en biòpsies gàstriques i mostres de femta; i 3) la detecció d’una soca d’Escherichia coli amb un biomarcador de patogenicitat per a demostrar la viabilitat de combinar la tecnologia proposada amb nanocossos modificats dissenyats per al desenvolupament posterior de biosensors nanofotònics per a la identificació de patògens resistents a múltiples fàrmacs. La nostra recerca obre un nou espai per a la implementació d’eines de diagnòstic innovadores, com els biosensors òptics sense marcat, per a una gestió més eficient de les malalties infeccioses bacterianes, amb l’objectiu de millorar els resultats dels pacients, i garantir la supervivència i la recuperació completa, així com combatre la propagació de bacteris resistents que produeixen brots d’infecció i víctimes mortals en centres sanitaris.

El diagnóstico y la evaluación de la eficacia del tratamiento de infecciones causadas por bacterias patógenas incluyen prácticas como la identificación de patógenos, la determinación de su patrón de susceptibilidad o resistencia a antibióticos, y la monitorización de terapias para ciertos antibióticos y grupos de pacientes. Sin embargo, los métodos actuales empleados por los especialistas en salud suelen fallar en determinar de manera rápida cuáles son las bacterias implicadas y la posibilidad de monitorizar un antibiótico en el corto plazo o en tiempo real utilizando preferentemente muestras no tratadas tomadas en el punto de atención del paciente. Esta tesis doctoral aborda la implementación de biosensores ópticos innovadores y versátiles sin marcado para la gestión de enfermedades infecciosas desde diferentes perspectivas que incluyen la identificación de bacterias para proporcionar un diagnóstico y tratamiento más eficientes, y la cuantificación rápida y monitorización de niveles de antibióticos con rangos terapéuticos estrechos. Específicamente, hemos conseguido: 1) la creación de biosensores plasmónicos para la cuantificación de amikacina y colistina en suero sanguíneo, haciéndolos aptos para la monitorización terapéutica de fármacos; y el desarrollo de biosensores fotónicos de silicio para 2) la identificación y cuantificación a bajas concentraciones de Helicobacter pylori en biopsias gástricas y muestras de heces; y 3) la detección de una cepa de Escherichia coli con un biomarcador de patogenicidad para demostrar la viabilidad de combinar la tecnología propuesta con nanoanticuerpos modificados diseñados para el desarrollo posterior de biosensores nanofotónicos para identificar patógenos resistentes a múltiples fármacos. Nuestra investigación abre un nuevo espacio para la implementación de nuevas herramientas de diagnóstico, como los biosensores ópticos sin marcado, para una gestión más eficiente de las enfermedades infecciosas bacterianas, con el objetivo de mejorar los resultados de los pacientes, y garantizar la supervivencia y la recuperación completa, así como combatir la propagación de bacterias resistentes que producen brotes de infección y víctimas mortales en los centros de salud.

Diagnosis and assessment of treatment effectiveness for bacterial infections include practices such as identifying pathogens, determining their susceptibility pattern or resistance to antibiotics, and monitoring therapies for certain antibiotics and patient groups. However, current methods applied by healthcare specialists generally lack providing a rapid determination of the bacteria and the possibility to monitor an antibiotic in a short- to real-time detection scheme using preferably untreated samples taken at the point-of-care place. This PhD thesis addresses the implementation of innovative and versatile optical label-free biosensors for the management of infectious diseases from different perspectives that include the identification of bacteria to provide a more efficient diagnosis and treatment, and the rapid quantification and monitoring of levels of antibiotics with narrow therapeutic ranges. Specifically, we accomplished the following: 1) the creation of plasmonic-based biosensors for the quantification of amikacin and colistin in blood serum, making them suitable for therapeutic drug monitoring purposes; and the development of silicon photonics-based biosensors for 2) the identification and low-level quantification of Helicobacter pylori in gastric biopsies and stool samples; and 3) the detection of a strain of Escherichia coli with a pathogenicity biomarker to demonstrate the feasibility of combining the proposed technology with targeted modified nanobodies for further development of nanophotonic biosensors to identify multidrug-resistant pathogens. Our research opens a new space for the implementation of novel diagnostic tools such as label-free optical biosensors for a more efficient management of bacterial infectious diseases to improve patient outcomes, guaranteeing survival and full recovery in patients, as well as combat the spread of resistant bacteria producing major infection outbreaks and casualties in healthcare centers.