Diagnostic tests for hepatitis C: Recent trends in electrochemical immunosensor and genosensor analysis

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Desenvolvimento de imunossensor baseado na imobilização de anticorpo monoclonal em fibroína da seda para diagnóstico rápido da cisticercose bovina

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

A flexible lab-on-a-chip for the synthesis and magnetic separation of magnetite decorated with gold nanoparticles

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Pitahaya aging diagnostic by impedance/capacitance spectroscopy

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

A label-free electrochemical affisensor for cancer marker detection: the case of HER2

In this paper, we report the development of a sensitive label-free impedimetric biosensor based on the use of affibody as bioreceptor and gold nanostructured screen-printed graphite as a sensor platform for the detection of human epidermal growth factor receptor 2 (HER2). The affisensor is realized by immobilizing a terminal cysteine-modified affibody on gold nanoparticles. The sensor was characterized by electrochemical techniques and scanning electron microscopy (SEM). Furthermore, surface plasmon resonance (SPR) technology was also applied to explore the potential of affibodies as small-molecule discriminating tools. Using optimized experimental conditions, a single-use affisensor showed a good analytical performance for HER2 detection from 0 to 40μg/L. The estimated limit of detection was 6.0μg/L. Finally, the realized affisensor was applied to human serum samples.

Innovative analytical strategies for the development of sensor devices and mass spectrometry methods

Il lavoro presentato in questa tesi di Dottorato è incentrato sullo sviluppo di strategie analitiche innovative basate sulla sensoristica e su tecniche di spettrometria di massa in ambito biologico e della sicurezza alimentare. Il primo capitolo tratta lo studio di aspetti metodologici ed applicativi di procedure sensoristiche per l’identificazione e la determinazione di biomarkers associati alla malattia celiaca. In tale ambito, sono stati sviluppati due immunosensori, uno a trasduzione piezoelettrica e uno a trasduzione amperometrica, per la rivelazione di anticorpi anti-transglutaminasi tissutale associati a questa malattia. L’innovazione di questi dispositivi riguarda l’immobilizzazione dell’enzima tTG nella conformazione aperta (Open-tTG), che è stato dimostrato essere quella principalmente coinvolta nella patogenesi. Sulla base dei risultati ottenuti, entrambi i sistemi sviluppati si sono dimostrati una valida alternativa ai test di screening attualmente in uso per la diagnosi della celiachia. Rimanendo sempre nel contesto della malattia celiaca, ulteriore ricerca oggetto di questa tesi di Dottorato, ha riguardato lo sviluppo di metodi affidabili per il controllo di prodotti “gluten-free”. Il secondo capitolo tratta lo sviluppo di un metodo di spettrometria di massa e di un immunosensore competitivo per la rivelazione di prolammine in alimenti “gluten-free”. E’ stato sviluppato un metodo LC-ESI-MS/MS basato su un’analisi target con modalità di acquisizione del segnale selected reaction monitoring per l’identificazione di glutine in diversi cereali potenzialmente tossici per i celiaci. Inoltre ci si è focalizzati su un immunosensore competitivo per la rivelazione di gliadina, come metodo di screening rapido di farine. Entrambi i sistemi sono stati ottimizzati impiegando miscele di farina di riso addizionata di gliadina, avenine, ordeine e secaline nel caso del sistema LC-MS/MS e con sola gliadina nel caso del sensore. Infine i sistemi analitici sono stati validati analizzando sia materie prime (farine) che alimenti (biscotti, pasta, pane, etc.). L’approccio sviluppato in spettrometria di massa apre la strada alla possibilità di sviluppare un test di screening multiplo per la valutazione della sicurezza di prodotti dichiarati “gluten-free”, mentre ulteriori studi dovranno essere svolti per ricercare condizioni di estrazione compatibili con l’immunosaggio competitivo, per ora applicabile solo all’analisi di farine estratte con etanolo. Terzo capitolo di questa tesi riguarda lo sviluppo di nuovi metodi per la rivelazione di HPV, Chlamydia e Gonorrhoeae in fluidi biologici. Si è scelto un substrato costituito da strips di carta in quanto possono costituire una valida piattaforma di rivelazione, offrendo vantaggi grazie al basso costo, alla possibilità di generare dispositivi portatili e di poter visualizzare il risultato visivamente senza la necessità di strumentazioni. La metodologia sviluppata è molto semplice, non prevede l’uso di strumentazione complessa e si basa sull’uso della isothermal rolling-circle amplification per l’amplificazione del target. Inoltre, di fondamentale importanza, è l’utilizzo di nanoparticelle colorate che, essendo state funzionalizzate con una sequenza di DNA complementare al target amplificato derivante dalla RCA, ne permettono la rivelazione a occhio nudo mediante l’uso di filtri di carta. Queste strips sono state testate su campioni reali permettendo una discriminazione tra campioni positivi e negativi in tempi rapidi (10-15 minuti), aprendo una nuova via verso nuovi test altamente competitivi con quelli attualmente sul mercato.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Real-time biosensor for the assessment of nanotoxicity and cancer electrotherapy

Knowledge of cell electronics has led to their integration to medicine either by physically interfacing electronic devices with biological systems or by using electronics for both detection and characterization of biological materials. In this dissertation, an electrical impedance sensor (EIS) was used to measure the electrode surface impedance changes from cell samples of human and environmental toxicity of nanoscale materials in 2D and 3D cell culture models. The impedimetric response of human lung fibroblasts and rainbow trout gill epithelial cells when exposed to various nanomaterials was tested to determine their kinetic effects towards the cells and to demonstrate the biosensor's ability to monitor nanotoxicity in real-time. Further, the EIS allowed rapid, real-time and multi-sample analysis creating a versatile, noninvasive tool that is able to provide quantitative information with respect to alteration in cellular function. We then extended the application of the unique capabilities of the EIS to do real-time analysis of cancer cell response to externally applied alternating electric fields at different intermediate frequencies and low-intensity. Decreases in the growth profiles of the ovarian and breast cancer cells were observed with the application of 200 and 100 kHz, respectively, indicating specific inhibitory effects on dividing cells in culture in contrast to the non-cancerous HUVECs and mammary epithelial cells. We then sought to enhance the effects of the electric field by altering the cancer cell's electronegative membrane properties with HER2 antibody functionalized nanoparticles. An Annexin V/EthD-III assay and zeta potential were performed to determine the cell death mechanism indicating apoptosis and a decrease in zeta potential with the incorporation of the nanoparticles. With more negatively charged HER2-AuNPs attached to the cancer cell membrane, the decrease in membrane potential would thus leave the cells more vulnerable to the detrimental effects of the applied electric field due to the decrease in surface charge. Therefore, by altering the cell membrane potential, one could possibly control the fate of the cell. This whole cell-based biosensor will enhance our understanding of the responsiveness of cancer cells to electric field therapy and demonstrate potential therapeutic opportunities for electric field therapy in the treatment of cancer.

Aluminum nanoholes for optical biosensing

Sub-wavelength diameter holes in thin metal layers can exhibit remarkable optical features that make them highly suitable for (bio)sensing applications. Either as efficient light scattering centers for surface plasmon excitation or metal-clad optical waveguides, they are able to form strongly localized optical fields that can effectively interact with biomolecules and/or nanoparticles on the nanoscale. As the metal of choice, aluminum exhibits good optical and electrical properties, is easy to manufacture and process and, unlike gold and silver, its low cost makes it very promising for commercial applications. However, aluminum has been scarcely used for biosensing purposes due to corrosion and pitting issues. In this short review, we show our recent achievements on aluminum nanohole platforms for (bio)sensing. These include a method to circumvent aluminum degradation—which has been successfully applied to the demonstration of aluminum nanohole array (NHA) immunosensors based on both, glass and polycarbonate compact discs supports—the use of aluminum nanoholes operating as optical waveguides for synthesizing submicron-sized molecularly imprinted polymers by local photopolymerization, and a technique for fabricating transferable aluminum NHAs onto flexible pressure-sensitive adhesive tapes, which could facilitate the development of a wearable technology based on aluminum NHAs.

Real-time Biosensor for the Assessment of Nanotoxicity and Cancer Electrotherapy

Knowledge of cell electronics has led to their integration to medicine either by physically interfacing electronic devices with biological systems or by using electronics for both detection and characterization of biological materials. In this dissertation, an electrical impedance sensor (EIS) was used to measure the electrode surface impedance changes from cell samples of human and environmental toxicity of nanoscale materials in 2D and 3D cell culture models. The impedimetric response of human lung fibroblasts and rainbow trout gill epithelial cells when exposed to various nanomaterials was tested to determine their kinetic effects towards the cells and to demonstrate the biosensor’s ability to monitor nanotoxicity in real-time. Further, the EIS allowed rapid, real-time and multi-sample analysis creating a versatile, noninvasive tool that is able to provide quantitative information with respect to alteration in cellular function. We then extended the application of the unique capabilities of the EIS to do real-time analysis of cancer cell response to externally applied alternating electric fields at different intermediate frequencies and low-intensity. Decreases in the growth profiles of the ovarian and breast cancer cells were observed with the application of 200 and 100 kHz, respectively, indicating specific inhibitory effects on dividing cells in culture in contrast to the non-cancerous HUVECs and mammary epithelial cells. We then sought to enhance the effects of the electric field by altering the cancer cell’s electronegative membrane properties with HER2 antibody functionalized nanoparticles. An Annexin V/EthD-III assay and zeta potential were performed to determine the cell death mechanism indicating apoptosis and a decrease in zeta potential with the incorporation of the nanoparticles. With more negatively charged HER2-AuNPs attached to the cancer cell membrane, the decrease in membrane potential would thus leave the cells more vulnerable to the detrimental effects of the applied electric field due to the decrease in surface charge. Therefore, by altering the cell membrane potential, one could possibly control the fate of the cell. This whole cell-based biosensor will enhance our understanding of the responsiveness of cancer cells to electric field therapy and demonstrate potential therapeutic opportunities for electric field therapy in the treatment of cancer.

Chemiluminescence – based bioanalytical devices for astrobiological, food safety and clinical applications

At the intersection of biology, chemistry, and engineering, biosensors are a multidisciplinary innovation that provide a cost-effective alternative to traditional laboratory techniques. Due to their advantages, biosensors are used in medical diagnostics, environmental monitoring, food safety and many other fields. The first part of the thesis is concerned with learning the state of the art of paper-based immunosensors with bioluminescent (BL) and chemiluminescent (CL) detection. The use of biospecific assays combined with CL detection and paper-based technology offers an optimal approach to creating analytical tools for on-site applications and we have focused on the specific areas that need to be considered more in order to ensure a future practical implementation of these methods in routine analyses. The subsequent part of the thesis addresses the development of an autonomous lab-on-chip platform for performing chemiluminescent-based bioassays in space environment, exploiting a CubeSat platform for astrobiological investigations. An origami-inspired microfluidic paper-based analytical device has been developed with the purpose of assesses its performance in space and to evaluate its functionality and the resilience of the (bio)molecules when exposed to a radiation-rich environment. Subsequently, we designed a paper-based assay to detect traces of ovalbumin in food samples, creating a user-friendly immunosensing platform. To this purpose, we developed an origami device that exploits a competitive immunoassay coupled with chemiluminescence detection and magnetic microbeads used to immobilize ovalbumin on paper. Finally, with the aim of exploring the use of biomimetic materials, an hydrogel-based chemiluminescence biosensor for the detection of H2O2 and glucose was developed. A guanosine hydrogel was prepared and loaded with luminol and hemin, miming a DNAzyme activity. Subsequently, the hydrogel was modified by incorporating glucose oxidase enzyme to enable glucose biosensing. The emitted photons were detected using a portable device equipped with a smartphone's CMOS (complementary metal oxide semiconductor) camera for CL emission detection.