Biosensors as rapid and simple analytical tools for clinical diagnosis
- Autores: Laura Gutiérrez Gálvez
- Directores de la Tesis: Maria Encarnacion Lorenzo Abad (dir. tes.), Tania García Mendiola (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2024
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 291
- Títulos paralelos:
- Biosensores como herramientas analíticas rápidas y sencillas para el diagnóstico clínico
- Tribunal Calificador de la Tesis: Susana Campuzano (presid.), María Pilar da Silva de Campos (secret.), Beatriz Jurado Sánchez (voc.), Alejandro Chamorro García (voc.), Alfredo de la Escosura Muñiz (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química Aplicada por la Universidad Autónoma de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
El diagnóstico precoz y preciso de enfermedades es vital para mejorar el pronóstico del paciente y garantizar una gestión clínica efectiva. Con la creciente prevalencia de graves problemas de salud como la enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19, del inglés coronavirus disease 2019) y las enfermedades no transmisibles, existe una necesidad urgente de contar con herramientas de diagnóstico eficaces y avanzadas que puedan facilitar la detección a tiempo de estas enfermedades. En este sentido, los biosensores se han convertido en alternativas prometedoras complementarias a los métodos de diagnóstico tradicionales debido a su detección rápida, sensible y selectiva de biomarcadores. Su aplicación en el diagnóstico clínico podría mejorar significativamente la eficiencia de las pruebas de laboratorio en el lugar de asistencia (conocidas como POCT, del inglés point-of-care testing). Sin embargo, hoy en día todavía hay que hacer frente a varios retos que resultan críticos para conseguir desarrollar biosensores con el rendimiento analítico necesario para su uso como POCT.
Por ello, esta tesis doctoral se ha centrado en el diseño y desarrollo de biosensores innovadores con propiedades analíticas mejoradas destinados a la detección de biomarcadores clave para la COVID-19, el cáncer de mama (BC, del inglés breast cancer) y enfermedades cardiovasculares (CVDs, del inglés cardiovascular diseases). En concreto, esta investigación se centra en la detección de varios biomarcadores de diversas enfermedades: el microARN-21 para CVDs, el gen marco de lectura abierto 1ab (ORF1ab, del inglés open reading frame 1ab) y la proteína de la espícula del SARS-CoV-2 (spike en inglés) para la COVID-19, y la proteína denominada receptor 2 del factor de crecimiento epidérmico humano (HER2, del inglés human epidermal growth factor receptor 2) para el BC. Para detectar estas biomoléculas, que engloban tanto proteínas como ácidos nucleicos, se han seleccionado biosensores de afinidad dado que es un enfoque adecuado para este fin. Para la detección de ácidos nucleicos, se han empleado dos estrategias distintas: sondas de captura de ADN monocatenarias o nanoestructuras de ADN tetraédricas (TDNs, del inglés tetrahedral DNA nanostructures) como elementos de biorreconocimiento. Para el análisis de proteínas, esta investigación doctoral se centró en el desarrollo de dos aptasensores y un inmunosensor.
Integrando los últimos avances en nanotecnología, se incorporaron nuevos nanomateriales a los diseños de los biosensores, mejorando significativamente su rendimiento analítico. Los nanopuntos de carbono (CNDs, del inglés carbon nanodots) jugaron un papel fundamental en la transducción de eventos de biorreconocimiento dentro de esta investigación. Se utilizaron como coreactantes en la señal de electroquimioluminiscencia (ECL, del inglés electrochemiluminescence) anódica de [Ru(bipy)3]2+ y como indicadores electroquímicos del evento de hibridación del ADN, mejorando significativamente la sensibilidad de los biosensores. Además, se empleó una amplia gama de nanomateriales avanzados para modificar la superficie de los electrodos, lo que llevó al desarrollo de plataformas electroquímicas mejoradas. Entre ellos se encuentran el carbon black (CB), que mejora la conductividad y la transducción de señales; una mezcla de nanomateriales de oro (AuNMs, del inglés Au nanomaterials) de diferentes formas, que incrementó la superficie electroactiva del electrodo y facilitó la transferencia de electrones entre la superficie del electrodo y las especies electroactivas; bismuteno, un nanomaterial bidimensional (2D) que interacciona fuertemente con los grupos tioles; nanoláminas de disulfuro de molibdeno (MoS2-NS, del inglés MoS2 nanosheets), que proporcionaron una alta superficie para la unión de biomoléculas tioladas; y una heteroestructura covalente 2D formada por MoS2-NS electroinjertadas sobre grafeno (GPH, del inglés graphene), denominada heteroestructura 2D GPH/MoS2, que combina las propiedades ventajosas de ambos materiales. Estos nanomateriales han sido sintetizados y caracterizados antes de su uso.
En cuanto a la técnica de transducción, se desarrollaron específicamente biosensores electroquímicos y electroquimioluminiscentes por su sencilla aplicabilidad en la creación de herramientas POCT efectivas.
Combinando estos diferentes enfoques, esta investigación doctoral dio como resultado el desarrollo de siete biosensores, todos ellos adaptados para tratar de abordar los retos diagnósticos asociados a las enfermedades en las que nos hemos centrado. Estos dispositivos se caracterizaron exhaustivamente y se evaluaron cuidadosamente sus propiedades analíticas, así como su posible aplicabilidad. Como resultado, se desarrollaron cuatro biosensores de ADN, uno para el diagnóstico de CVDs y tres para la COVID-19. Estos sencillos dispositivos presentaron una alta sensibilidad y se aplicaron con éxito al análisis directo de los diferentes biomarcadores en muestras de pacientes clínicos no amplificadas, cuando fue posible, o en matrices enriquecidas con los analitos. Además, se creó un aptasensor para el diagnóstico del cáncer de mama, que permite la detección de la proteína HER2 en suero humano enriquecido con una concentración más baja que la que se encuentra normalmente en la sangre del paciente. También se elaboró otro aptasensor, en este caso para el diagnóstico de la COVID-19, el cual demostró una mayor sensibilidad que una prueba de antígenos comercial para muestras de saliva. Por último, se desarrolló un inmunosensor para la detección eficaz de la COVID-19 en aliento humano exhalado recogido mediante una mascarilla portátil inteligente.
Los resultados de los biosensores desarrollados se han utilizado para preparar siete artículos científicos, los cuales han sido publicados en revistas de alto índice de impacto indexadas en el área de química analítica. Estos artículos también se han incorporado en esta tesis doctoral, que se presenta como un compendio de publicaciones.
