Desenvolvimento de Anticorpos Plásticos para um Biomarcador do Cancro

O trabalho descrito compreende o desenvolvimento de um anticorpo plástico (MIP, do inglês Molecularly Imprinted Polymer) para o antigénio carcinoembrionário (CEA, do inglês Carcinoembriogenic Antigen) e a sua aplicação na construção de dispositivos portáteis, de tamanho reduzido e de baixo custo, tendo em vista a monitorização deste biomarcador do cancro do colo-retal em contexto Point-of-Care (POC). O anticorpo plástico foi obtido por tecnologia de impressão molecular orientada, baseada em eletropolimerização sobre uma superfície condutora de vidro recoberto por FTO. De uma forma geral, o processo foi iniciado pela electropolimerização de anilina sobre o vidro, seguindo-se a ligação por adsorção do biomarcador (CEA) ao filme de polianilina, com ou sem monómeros carregados positivamente (Cloreto de vinilbenziltrimetilamónio, VB). A última fase consistiu na electropolimerização de o-fenilenodiamina (oPD) sobre a superfície, seguindo-se a remoção da proteína por clivagem de ligações peptídicas, com o auxílio de tripsina. A eficiência da impressão do biomarcador CEA no material polimérico foi controlada pela preparação de um material análogo, NIP (do inglês, Non-Imprinted Polymer), no qual nem a proteína nem o monómero VB estavam presentes. Os materiais obtidos foram caracterizados quimicamente por técnicas de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR, do inglês, Fourier Transform Infrared Spectroscopy) e microscopia confocal de Raman. Os materiais sensores preparados foram entretanto incluídos em membranas poliméricas de Poli(cloreto de vinilo) (PVC) plastificado, para construção de sensores (biomiméticos) seletivos a CEA, tendo-se avaliado a resposta analítica em diferentes meios. Obteve-se uma boa resposta potenciométrica em solução tampão de Ácido 4-(2-hidroxietil)piperazina-1-etanosulfónico (HEPES), a pH 4,4, com uma membrana seletiva baseada em MIP preparada com o monómero carregado VB. O limite de deteção foi menor do que 42 pg/mL, observando-se um comportamento linear (versus o logaritmo da concentração) até 625 pg/mL, com um declive aniónico igual a -61,9 mV/década e r2>0,9974. O comportamento analítico dos sensores biomiméticos foi ainda avaliado em urina, tendo em vista a sua aplicação na análise de CEA em urina. Neste caso, o limite de deteção foi menor do que 38 pg/mL, para uma resposta linear até 625 pg/mL, com um declive de -38,4 mV/década e r2> 0,991. De uma forma geral, a aplicação experimental dos sensores biomiméticos evidenciou respostas exatas, sugerindo que os biossensores desenvolvidos prossigam estudos adicionais tendo em vista a sua aplicação em amostras de indivíduos doentes.

Desenvolvimento e aplicação de um biossensor para monitorização de creatinina, um biomarcador associado a doenças emergentes

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um material sensor para creatinina por impressão molecular em estrutura polimérica (MIP) e a sua aplicação no desenvolvimento de um dispositivo de natureza potenciométrica para a determinação da molécula alvo em fluidos biológicos. A creatinina é um dos biomarcadores mais utilizados no acompanhamento da doença renal, já que é um bom indicador da taxa de filtração glomerular (TFG). Os materiais biomiméticos desenhados para interação com a creatinina foram obtidos por polimerização radicalar, recorrendo a monómeros de ácido metacríclico ou de vinilpiridina e a um agente de reticulação apropriado. De modo a aferir o efeito da impressão da creatinina na resposta dos materiais MIP à sua presença, foram também preparados e avaliados materiais de controlo, obtidos sem impressão molecular (NIP). O controlo da constituição química destes materiais, incluindo a extração da molécula impressa, foi realizado por Espectroscopia de Raman e de Infravermelho com Transformada de Fourrier. A afinidade de ligação entre estes materiais e a creatinina foi também avaliada com base em estudos cinéticos. Todos os materiais descritos foram integrados em membranas selectivas de elétrodos seletivos de ião, preparadas sem ou com aditivo iónico lipófilo, de carga negativa ou positiva. A avaliação das características gerais de funcionamento destes elétrodos, em meios de composição e pH diferentes, indicaram que as membranas com materiais impressos e aditivo aniónico eram as únicas com utilidade analítica. Os melhores resultados foram obtidos em solução tampão Piperazine-N,N′-bis(2- ethanesulfonic acid), PIPES, de pH 2,8, condição que permitiu obter uma resposta quasi-Nernstiana, a partir de 1,6×10-5 mol L-1. Estes elétrodos demonstraram ainda uma boa selectividade ao apresentaram uma resposta preferencial para a creatinina quando na presença de ureia, carnitina, glucose, ácido ascórbico, albumina, cloreto de cálcio, cloreto de potássio, cloreto de sódio e sulfato de magnésio. Os elétrodos foram ainda aplicados com sucesso na análise de amostras sintéticas de urina, quando os materiais sensores eram baseados em ácido metacrilico, e soro, quando os materiais sensores utilizados eram baseados em vinilpiridina.

Novel Prostate Specific Antigen plastic antibody designed withcharged binding sites for an improved protein binding and itsapplication in a biosensor of potentiometric transduction

This work shows that the synthesis of protein plastic antibodies tailored with selected charged monomersaround the binding site enhances protein binding. These charged receptor sites are placed over a neutralpolymeric matrix, thus inducing a suitable orientation the protein reception to its site. This is confirmed bypreparing control materials with neutral monomers and also with non-imprinted template. This concepthas been applied here to Prostate Specific Antigen (PSA), the protein of choice for screening prostate can-cer throughout the population, with serum levels >10 ng/mL pointing out a high probability of associatedcancer.Protein Imprinted Materials with charged binding sites (C/PIM) have been produced by surfaceimprinting over graphene layers to which the protein was first covalently attached. Vinylben-zyl(trimethylammonium chloride) and vinyl benzoate were introduced as charged monomers labellingthe binding site and were allowed to self-organize around the protein. The subsequent polymerizationwas made by radical polymerization of vinylbenzene. Neutral PIM (N/PIM) prepared without orientedcharges and non imprinted materials (NIM) obtained without template were used as controls.These materials were used to develop simple and inexpensive potentiometric sensor for PSA. Theywere included as ionophores in plasticized PVC membranes, and tested over electrodes of solid or liq-uid conductive contacts, made of conductive carbon over a syringe or of inner reference solution overmicropipette tips. The electrodes with charged monomers showed a more stable and sensitive response,with an average slope of -44.2 mV/decade and a detection limit of 5.8 × 10−11mol/L (2 ng/mL). The cor-responding non-imprinted sensors showed lower sensitivity, with average slopes of -24.8 mV/decade.The best sensors were successfully applied to the analysis of serum, with recoveries ranging from 96.9to 106.1% and relative errors of 6.8%.

Electrochemical biosensor based on biomimetic material for myoglobin detection

A novel reusable molecularly imprinted polymer (MIP) assembled on a polymeric layer of carboxylated poly(vinyl chloride) (PVCsingle bondCOOH) for myoglobin (Myo) detection was developed. This polymer was casted on the gold working area of a screen printed electrode (Au-SPE), creating a novel disposable device relying on plastic antibodies. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS), cyclic voltammetry (CV) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) studies confirmed the surface modification. The MIP/Au-SPE devices displayed a linear behaviour in EIS from 0.852 to 4.26 μg mL−1, of positive slope 6.50 ± 1.48 (kΩ mL μg−1). The limit of detection was 2.25 μg mL−1. Square wave voltammetric (SWV) assays were made in parallel and showed linear responses between 1.1 and 2.98 μg mL−1. A current decrease was observed against Myo concentration, producing average slopes of −0.28 ± 0.038 μA mL μg−1. MIP/Au-SPE also showed good results in terms of selectivity. The error% found for each interfering species were 7% for troponin T (TnT), 11% for bovine serum albumin (BSA) and 2% for creatine kinase MB (CKMB), respectively. Overall, the technical modification over the Au-SPE was found a suitable approach for screening Myo in biological fluids.

Surface Imprinting Approach on Screen Printed Electrodes Coated with Carboxylated PVC for Myoglobin detection with Electrochemical Transduction

A novel surface molecularly-imprinted (MI) material to detect myoglobin (Myo) using gold screen printed electrodes (SPE) was developed. The sensitive detection was carry out by introducing a carboxylic polyvinyl chloride (PVC-COOH) layer on gold SPE surface. Myo was attached to the surface of gold SPE/PVC-COOH and the vacant spaces around it were filled by polymerizing acrylamide and N,N-methylenebisacrylamide (cross-linker). This polymerization was initiated by ammonium persulphate. After removing the template, the obtained material was able to rebind Myo and discriminate it among other interfering species. Various characterization techniques including electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV) confirmed the surface modification. This sensor seemed a promising tool for screening Myo in point-of-care.

Artificial antibodies for troponin T by its imprinting on the surface of multiwalled carbon nanotubes: Its use as sensory surfaces

A novel artificial antibody for troponin T (TnT) was synthesized by molecular imprint (MI) on the surface of multiwalled carbon nanotubes (MWCNT). This was done by attaching TnT to the MWCNT surface, and filling the vacant spaces by polymerizing under mild conditions acrylamide (monomer) in N,N′-methylenebisacrylamide (cross-linker) and ammonium persulphate (initiator). After removing the template, the obtained biomaterial was able to rebind TnT and discriminate it among other interfering species. Stereochemical recognition of TnT was confirmed by the non-rebinding ability displayed by non-imprinted (NI) materials, obtained by imprinting without a template. SEM and FTIR analysis confirmed the surface modification of the MWCNT. The ability of this biomaterial to rebind TnT was confirmed by including it as electroactive compound in a PVC/plasticizer mixture coating a wire of silver, gold or titanium. Anionic slopes of 50 mV decade−1 were obtained for the gold wire coated with MI-based membranes dipped in HEPES buffer of pH 7. The limit of detection was 0.16 μg mL−1. Neither the NI-MWCNT nor the MWCNT showed the ability to recognize the template. Good selectivity was observed against creatinine, sucrose, fructose, myoglobin, sodium glutamate, thiamine and urea. The sensor was tested successfully on serum samples. It is expected that this work opens new horizons on the design of new artificial antibodies for complex protein structures.

Desenvolvimento de um biossensor para Ácido Glutâmico

A presente dissertação tem com objetivo o desenvolvimento de um biossensor com base nos polímeros de impressão molecular para a deteção de uma molécula alvo, o ácido glutâmico que é convertido em glutamina pela glutamina sintetase, recorrendo à potenciometria. Nas células neoplásicas a glutamina não é sintetizada podendo-se considerar que o ácido glutâmico é um potencial agente anti-cancro. A técnica de impressão molécular utilizada foi a polimerização em bulk, combinando a acrilamida e a bis acrilamida com o ácido glutâmico. Para se verificar se a resposta potenciométrica obtida era de facto da molécula alvo foram preparados em paralelo com os sensores, materiais de controlo, ou seja, moléculas sem impressão molécular (NIP). Para se controlar a constituíção química dos vários sensores nomeadamente, do NIP e do polímero de impressão molecular (MIP) antes e após a remoção bem como a molécula foram realizados estudos de Espetroscopia de Infravermelhos de Transformada de Fourier (FTIR), Scanning electron microscope (SEM) e Espetroscopia de Raios X por dispersão em energia (EDS). Os materiais desenvolvidos foram aplicados em várias membranas que diferiam umas das outras, sendo seletivas ao ião. A avaliação das características gerais das membranas baseou-se na análise das curvas de calibração, conseguidas em meios com pHs diferentes, comparando os vários elétrodos. O pH 5 foi o que apresentou melhor resultado, associado a uma membrana que continha um aditivo, o p-tetra-octilphenol, e com o sensor com percentagem de 3%. Posto isto, testou-se em material biológico, urina, com as melhores características quer em termos de sensibilidade (18,32mV/década) quer em termos de linearidade (1,6x10-6 a 1,48x10-3 mol/L). Verificou-se ainda que aplicando iões interferentes na solução, estes não interferem nesta, podendo ser aplicados na amostra sem que haja alteração na resposta potenciométrica. O elétrodo é capaz de distinguir o ácido glutâmico dos restantes iões presentes na solução.

Construção de um sensor eletroquímico molecularmente impresso para monitorização do cancro da mama

O Cancro da mama é uma doença cuja incidência tem vindo a aumentar de ano para ano e além disso é responsável por um grande número de mortes em todo mundo. De modo a combater esta doença têm sido propostos e utilizados biomarcadores tumorais que permitem o diagnóstico precoce, o acompanhamento do tratamento e/ou a orientação do tipo tratamento a adotar. Atualmente, os biomarcadores circulantes no sangue periférico recomendados pela Associação Americana de Oncologia Clinica (ASCO) para monitorizar os pacientes durante o tratamento são o cancer antigen 15-3 (CA 15-3), o cancer antigen 27.29 (CA 27.29) e o cancer embryobic antigen (CEA). Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquímico (voltamétrico) para monitorizar o cancro da mama através da análise do biomarcador CA 15-3. Inicialmente realizou-se o estudo da adsorção da proteína na superfície do elétrodo para compreender o comportamento do sensor para diferentes concentrações. De seguida, estudaram-se três polímeros (poliaminofenol, polifenol e polifenilenodiamina) e selecionou-se o poliaminofenol como o polímero a utilizar, pois possuía a melhor percentagem de alteração de sinal. Após a seleção do polímero, este foi depositado na superfície do elétrodo por eletropolimerização, formando um filme polimérico molecularmente impresso (MIP) à volta da proteína (molde). Posteriormente, foram analisados cinco solventes (água, mistura de dodecil sulfato de sódio e ácido acético, ácido oxálico, guanidina e proteinase K) e o ácido oxálico revelou ser mais eficaz na extração da proteína. Por último, procedeu-se à caraterização do sensor e analisou-se a resposta analítica para diferentes concentrações de CA 15-3 revelando diferenças claras entre o NIP (polímero não impresso) e o MIP.

Materiais e dispositivos sensores para a Norfloxacina

O trabalho consistiu no desenvolvimento e caracterização de sensores potenciométricos com base em polímeros de impressão molecular para a determinação de um antibiótico, a norfloxacina, em aquacultura. A simplicidade, o baixo custo e a interação rápida e reversível dos sensores potenciométricos com os analitos fizeram com que este fosse o tipo de sensor escolhido. O material sensor foi obtido por tecnologia de impressão molecular, baseada em polimerização em bulk, em que a NOR foi a molécula molde e foram utilizados como monómeros para autoconstrução dos sensores o pirrol, isoladamente, ou em conjunto com partículas de sílica gel funcionalizadas com 3-aminopropil. Também foi obtido material sensor, para controlo, em que a molécula molde NOR não estava presente (NIP). As características dos materiais sensores foram sujeitas a análise de microscopia eletrónica SEM e análise por espectrómetro de infravermelhos com transformada de Fourier. Os materiais sensores foram incluídos em membranas poliméricas, que seriam incorporadas em elétrodos. A avaliação do desempenho dos elétrodos foi feita através de curvas de calibração em diferentes meios (PBS, MES e HEPES). Também foi efetuada com sucesso a análise da sensibilidade dos elétrodos em água dopada. As diversas avaliações e análises efetuadas levaram a concluir que o MIP de pirrol com aditivo aniónico, foi o material sensor testado que permitiu obter melhores propriedades de resposta.

Improving the early diagnostic of prostate cancer by multiple biomarker detection with new biosensing devices

Prostate cancer (PCa) is the most common form of cancer in men, in Europe (World Health Organization data). The most recent statistics, in Portuguese territory, confirm this scenario, which states that about 50% of Portuguese men may suffer from prostate cancer and 15% of these will die from this condition. Its early detection is therefore fundamental. This is currently being done by Prostate Specific Antigen (PSA) screening in urine but false positive and negative results are quite often obtained and many patients are sent to unnecessary biopsy procedures. This early detection protocol may be improved, by the development of point-of-care cancer detection devices, not only to PSA but also to other biomarkers recently identified. Thus, the present work aims to screen several biomarkers in cultured human prostate cell lines, serum and urine samples, developing low cost sensors based on new synthetic biomaterials. Biomarkers considered in this study are the following: prostate specific antigen (PSA), annexin A3 (ANXA3), microseminoprotein-beta (MSMB) and sarcosine (SAR). The biomarker recognition may occurs by means of molecularly imprinted polymers (MIP), which are a kind of plastic antibodies, and enzymatic approaches. The growth of a rigid polymer, chemically stable, using the biomarker as a template allows the synthesis of the plastic antibody. MIPs show high sensitivity/selectivity and present much longer stability and much lower price than natural antibodies. This nanostructured material was prepared on a carbon solid. The interaction between the biomarker and the sensing-material produces electrical signals generating quantitative or semi-quantitative data. These devices allow inexpensive and portable detection in point-of-care testing.

Investigations of 2-alkyl-3-methoxypyrazines in three ladybug species and wine /

Investigations of 2-alkyl-3-methoxypyrazines (2-isopropyl-3-methoxypyra2ine, 2- secbutyl-3-methoxypyrazine and 2-isobutyl-3-niethoxypyrazine) in ladybug species {Coleoptera: Coccinellidae) and wine samples have been conducted. Headspace sampling coupled with gas chromatography-mass spectrometry was used to determine amounts of 2-alkyl-3-methoxypyra2ines in the ladybug species. Hippodamia convergens had the highest amount of alkybnethoxypyrazines, followed by Harmoma axyridis and the least in Coccinella septempunctata. Using a solvent extraction method, the precoccinelline alkaloid was found present in Hippodamia convergens and Coccinella septempunctata but not Harmonia axyridis. Steam distillation followed by a soHd phase extraction method as a sample preparation technique, enhanced detection while the isotope dilution method afforded accurate quantitation of the alkyknethoxypyrazines in the wine samples. Both ladybug-tainted and commercial wine samples were found to contain the 2- alkyl-3-methoxypyrazines. Wine samples prepared in 2001 generally contained higher levels than the corresponding 2003 samples. Levels of the 2-alkyl-3-methoxypyrazines found in the commercial wines ranged from a minimum value of 6 ng/L to 260 ±10 ng/L. Analyses revealed that for both ladybug species and wine samples, the 2- isopropyl-3-methoxypyrazine had the highest concentration, followed by 2-isobutyl- 3-methoxypyrazine and the least being the 2-secbutyl-3-methoxypyrazine. Possible contamination of the wine samples by ladybugs is thoroughly discussed. Furthermore, attempts to remove or reduce the levels of the alkylmethoxypyrazines with molecularly imprinted polymers from wine samples are presented in detail.

Development and Application of a Highly Selective Biomimetic Sensor for Detection of Captopril, an Important Ally in Hypertension Control

A biomimetic sensor is proposed as a promising new analytical method for determination of captopril in different classes of samples. The sensor was prepared by modifying a carbon paste electrode with iron (II) phthalocyanine bis(pyridine) [FePe(dipy)] complex. Amperometric measurements in a batch analytical mode were first carried out in order to optimize the sensor response. An applied potential lower than 0.2 V vs Ag vertical bar AgCl in 0.1 mol L(-1) of TRIS buffer at pH 8.0 provided the best response, with a linear range of 2.5 x 10(-5) to 1.7 x 10(-4) mol L(-1). A detailed investigation of the selectivity of the sensor, employing seventeen other drugs, was also performed. Recovery studies were carried out using biological and environment samples in order to evaluate the sensor`s potential for use with these sample classes. Finally, the performance of the biomimetic sensor was optimized in a flow injection (FIA) system using a wall jet electrochemical cell. Under optimized flow conditions, a broad linear response range, from 5.0 x 10(-4) to 2.5 x 10(-2) mol L(-1), was obtained for captopril, with a sensitivity of 210 +/- 1 mu A L mol(-1).

Desenvolvimento de sistem biomimético para análise de 3,5,6-Tricloro-2-piridinol, o principal metabólito do clorpirifós

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Polímeros impressos com íons: fundamentos, estratégias de preparo e aplicações em química analítica

Chemical imprinting technology has been widely used as a valuable tool in selective recognition of a given target analyte (molecule or metal ion), yielding a notable advance in the development of new analytical protocols. Since their discovery, molecularly imprinted polymers (MIPs) have been extensively studied with excellent reviews published. However, studies involving ion imprinted polymers (IIPs), in which metal ions are recognized in the presence of closely related inorganic ions, remain scarce. Thus, this review involved a survey of different synthetic approaches for preparing ion imprinted adsorbents and their application for the development of solid phase extraction methods, metal ion sensors (electrodes and optodes) and selective membranes.

Desenvolvimento de biossensor baseado em extrato de açaí e sensor biomimético para detecção de hexazinona

Pós-graduação em Química - IQ