Biofunctional nanoparticles for magnetic immunoassays: application to the detection of pneumolysin for the rapid diagnosis of pneumococcal pneumonia.

• Autores: María Salvador Fernández
• Directores de la Tesis: José Carlos Martínez García (dir. tes.), Montserrat Rivas Ardisana (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Oviedo ( España ) en 2022
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Nanopartículas biofuncionales para inmunoensayos magnéticos: aplicación a la detección de neumolisina para el diagnóstico rápido de neumonía neumocócica
• Tribunal Calificador de la Tesis: Ronald B. Goldfarb (presid.), Pedro Gorria Korres (secret.), María del Puerto Morales Herrero (voc.), Jose Manuel Costa Fernandez (voc.), Sara Laureti (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Ciencia de Materiales
• Materias:
  • Física
    • Electromagnetismo
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: RUO
• Resumen
  • español

    El desarrollo de la humanidad conlleva nuevos problemas: la sobrepoblación y su envejecimiento, la globalización, el calentamiento global y la contaminación ponen en jaque a las administraciones cada día. Así, hoy el cáncer es la enfermedad que más muertes causa, un virus se propaga de una zona del mundo a su opuesta en un abrir y cerrar de ojos, las bacterias resistentes a los antibióticos no paran de crecer y tenemos un alto riesgo de contaminación en nuestra comida por residuos farmacéuticos o agrícolas. Para abordar estos problemas de forma rápida y eficaz se necesitan herramientas de detección que permitan, in situ, obtener resultados fiables de modo sencillo y en el menor tiempo posible. Este tipo de dispositivos, denominados point-of-care, no dependen de equipos sofisticados o personal cualificado, siendo de gran utilidad especialmente en áreas de difícil acceso y países en desarrollo.

    En la actualidad, los inmunoensayos de flujo lateral son los test point-of-care más utilizados. El test de embarazo casero o los test rápidos de antígenos utilizados durante la pandemia del COVID-19 son los ejemplos más relevantes. Sin embargo, algunas mejoras como el aumento de su sensibilidad o la posibilidad de cuantificación del analito permitirían que su uso fuese más extensivo. El uso de nanopartículas magnéticas como marcas de detección permitiría alcanzar ambos propósitos. El objetivo general de esta tesis es el estudio y caracterización de nanopartículas magnéticas para su aplicación en inmunoensayos de flujo lateral que permitan detectar y cuantificar biomoléculas de interés, mediante un sensor inductivo y optimizando su sensibilidad.

    Las aplicaciones biomédicas de las nanopartículas magnéticas son múltiples. El primer capítulo describe unas nanopartículas de magnetita con una doble capa de ácidos grasos diferentes: se caracterizan fisicoquímica, estructural y magnéticamente y se aplican en resonancia magnética nuclear, hipertermia magnética y ensayos de biodetección. Los resultados demostraron que dichas nanopartículas (1) superan el rendimiento del agente comercial de contraste de referencia; (2) presentan una excelente capacidad de calentamiento, y (3) pudieron ser utilizadas como marcas en ensayos cuantitativos mediante el modelo de afinidad biotina- neutravidina.

    El segundo capítulo describe la búsqueda de nanopartículas de magnetita con las propiedades óptimas para su uso en el sensor inductivo. Para ello se sintetizaron diferentes muestras de magnetita por descomposición térmica, concluyéndose que la susceptibilidad magnética inicial es un parámetro esencial para una buena detección, siempre que estas se encuentren dentro del régimen superparamagnético. También se estudió su respuesta en los ensayos de flujo mediante el modelo de afinidad biotina-neutravidina, constatándose que la producción de aglomerados anterior o durante el proceso de bioconjugación aumenta la señal por unidad de biomolécula a detectar, amplificando la señal.

    En los dos últimos capítulos se describe el uso de las nanopartículas de magnetita con características óptimas en dos aplicaciones de interés clínico real: la detección de los anticuerpos generados por SARS-CoV-2 y la cuantificación de neumolisina. Esta última es una proteína cuya presencia en la orina indica neumonía neumocócica. Las pruebas de diagnóstico actuales requieren tomas invasivas y no son concluyentes, por lo que muchas veces se prescriben antibióticos indiscriminadamente. El test desarrollado supone una herramienta útil para la detección de neumolisina que además aprovecha las propiedades magnéticas de los clústeres de nanopartículas para preconcentrar muestras cuyas concentraciones están fuera del límite de detección y aumentar la señal del test gracias a la recolocación magnética. Por último, también se detectaron anticuerpos de SARS-CoV-2 en las concentraciones de interés clínico, lo que permitiría monitorizar la respuesta inmune de la población, tanto durante la infección como tras su vacunación.

  • English

    Humanity faces news problems as it evolves: overpopulation and aging, globalization, global warming, and pollution put administrations in check almost every day. Today, cancer is the disease that causes the most deaths, a virus spreads from one region of the world to its opposite in the blink of an eye antibiotic-resistant bacteria do not stop growing, and there is a high risk of contamination of our food chain by pharmaceutical or agricultural wastes. To address these problems quickly and effectively, detection tools that allow the obtention in situ of reliable results easily and in the shortest possible time are needed. These devices, called point- of-care, do not depend on sophisticated equipment or qualified personnel, being very useful, especially in remote areas and developing countries.

    Currently, lateral flow immunoassays are the most widely used point-of-care tests. The home pregnancy test or the rapid antigen tests used during the COVID-19 pandemic are the most relevant examples. However, some improvements such as increasing its sensitivity or the possibility of quantifying the analyte would allow a more extensive use. The use of magnetic nanoparticles as detection labels would allow both purposes. This thesis’ general objective is to study and characterize magnetic nanoparticles for their application in lateral flow immunoassays that allow the detection and quantification of biomolecules of interest, using an inductive sensor and optimizing their sensitivity.

    The biomedical applications of magnetic nanoparticles are multiple. The first chapter describes magnetite nanoparticles with a double layer of three different fatty acids: Their physicochemical, structural, and magnetic characterization, and performance in nuclear magnetic resonance imaging, magnetic hyperthermia, and biosensing tests are shown. The results showed that such nanoparticles (1) increase the contrast between the tissues, exceeding the commercial reference agent; (2) they have an excellent heating capacity; and (3) they could be used as labels in quantitative assays using the biotin-neutravidin affinity model.

    The second chapter describes the search for optimal properties of magnetite nanoparticles in inductive biosensing. Different samples of magnetite were synthesized by thermal decomposition and characterized structurally, physiochemically, and magnetically as well as in the inductive sensor. In this way, the initial magnetic susceptibility was determined as an essential parameter for good detection within the superparamagnetic threshold. The particles’ response in flow tests was also studied using the biotin-neutravidin model, verifying that both the initial aggregates or the ones produced during the bioconjugation process increase the magnetic mass per unit of the biomolecule. This aggregation amplifies the signal.

    The last two chapters describes how magnetic clusters with the optimal characteristics were used in two applications of real interest: Detecting antibodies generated by SARS-CoV-2 and quantifying pneumolysin. The latter is a protein that indicates pneumococcal pneumonia when detected in the urine. Pneumococcal pneumonia diagnosis currently involves taking challenging and invasive samples, which are not decisive, and often resolved with indiscriminate antibiotic prescriptions. The test developed is a helpful tool for detecting pneumolysin. It also takes advantage of the magnetic properties of nanoparticle clusters to pre-concentrate samples whose concentrations are outside the detection limit and increase the test signal thanks to magnetic relocation. Finally, SARS-CoV-2 antibodies were also detected at concentrations of clinical interest. Thus, they might monitor the population’s immune response during infection and after vaccination.