Design and optimisation of the resonant mirror, an optical biosensor, for the analysis of microalbuminuria in trauma patients

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EDC-mediated oligonucleotide immobilization on a long period grating optical biosensor

We present the development and simplification of label-free fiber optic biosensors based on immobilization of oligonucleotides on dual-peak long period gratings (dLPGs). This improvement is the result of a simplification of biofunctionalization methodology. A one-step 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC)-mediated reaction has been developed for the straightforward immobilization of unmodified oligonucleotides on the glass fiber surface along the grating region, leading to covalent attachment of a 5´-phosphorylated probe oligonucleotide to the amino-derivatized fiber grating surface. Immobilization is achieved via a 5´phosphate-specific linkage, leaving the remainder of the oligonucleotide accessible for binding reactions. The dLPG has been tested in different external media to demonstrate its inherent ultrahigh sensitivity to the surrounding-medium refractive index (RI) achieving 50- fold improvement in RI sensitivity over the previously-published LPG sensor in media with RI’s relevant to biological assays. After functionalization, the dLPG biosensor was used to monitor the hybridization of complementary oligonucleotides showing a detectable oligonucleotide concentration of 4 nM. The proposed one-step EDC reaction approach can be further extended to develop fiber optic biosensors for disease analysis and medical diagnosis with the advances of label-free, real-time, multiplex, high sensitivity and specificity.

Development and fabrication of optical biosensors based on biophotonic sensing cells (BICELLs)

El objetivo de esta tesis es el desarrollo y caracterización de biosensores ópticos sin marcado basados en celdas sensoras biofotónicas (BICELLs). Éstas son un nuevo concepto de biosensor desarrollado por el grupo de investigación y consiste en la combinación de técnicas de interrogación vertical, junto a estructuras fotónicas producidas usando métodos de micro- y nanofabricación. Varias conclusiones son extraídas de este trabajo. La primera, que se ha definido una BICELL estándar basada en interferómetros Fabry-Perot (FP). Se ha demostrado su capacidad para la comparación de rendimiento entre BICELLs estructuradas y para la realización de inmunoensayos de bajo coste. Se han estudiado diferentes técnicas de fabricación disponibles para la producción de BICELLs. Se determinó que la litografía de contacto a nivel de oblea produce estructuras de bajo coste, reproducibles y de alta calidad. La resolución alcanzada ha sido de 700 nm. El estudio de la respuesta a inmunoensayos de las BICELLs producidas se ha desarrollado en este trabajo. Se estudió la influencia de BICELLs basadas en diferentes geometrías y tamaños. De aquí resulta un nuevo enfoque para predecir el comportamiento de respuesta para la detección biológica de cualquier biosensor óptico estructurado, relacionando su superficie efectiva y su sensibilidad óptica. También se demostró una técnica novedosa y de bajo coste para la caracterización experimental de la sensibilidad óptica, basada en el depósito de películas ultradelgadas. Finalmente, se ha demostrado el uso de BICELLs desarrolladas en esta tesis, en la detección de aplicaciones reales, tales como hormonas, virus y proteínas. ABSTRACT The objective of this thesis is the development and characterization of optical label-free biosensors based on Bio-Photonic sensing Cells (BICELLs). BICELL is a novel biosensor concept developed by the research group, and it consists of a combination of vertical interrogation optical techniques and photonic structures produced by using micro- and nano-fabrication methods. Several main conclusions are extracted from this work. Firstly, a standard BICELL is defined based on FP interferometers, which demonstrated its capacity for accomplishing performance comparisons among different structured BICELLs, as well as to achieve low-cost immunoassays. Different available fabrication techniques were studied for BICELL manufacturing. It is found that contact lithography at wafer scale produce cost-effective, reproducible and high quality structures. The resolution achieved was 700 nm. Study on the response of developed BICELLs to immunoassays is performed within this work. It is therefore studied the influence of BICELLs based on different geometries and sizes in the immunoassay, which resulted in a new approach to predict the biosensing behaviour of any structured optical biosensor relating to its effective surface and optical sensitivity. Also, it is demonstrated a novel and low-cost characterization technique of the experimental optical sensitivity, based on ultrathin-film deposition. Finally, it is also demonstrated the capability of using the developed BICELLs in this thesis for real applications detection of hormones, virus and proteins.

Real-time detection of DNA interactions with long-period fiber-grating-based biosensor

Using an optical biosensor based on a dual-peak long-period fiber grating, we have demonstrated the detection of interactions between biomolecules in real time. Silanization of the grating surface was successfully realized for the covalent immobilization of probe DNA, which was subsequently hybridized with the complementary target DNA sequence. It is interesting to note that the DNA biosensor was reusable after being stripped off the hybridized target DNA from the grating surface, demonstrating a function of multiple usability.

Long-period fibre grating based biosensor for detection of DNA hybridisation

We implement an optical biosensor using long-period fibre grating immobilised with probe DNA. It has been used to detect hybridisation of target DNA, showing a high sensitivity and reusability function.

DNA hybridisation biosensor based on dual-peak long-period grating

Using an optical biosensor based on dual-peak long-period fibre grating, we demonstrate the detection of interactions between DNA biomolecules in real-time, showing a high sensitivity and reusability function.

DNA hybridisation biosensor based on dual-peak long-period grating

Using an optical biosensor based on dual-peak long-period fibre grating, we demonstrate the detection of interactions between DNA biomolecules in real-time, showing a high sensitivity and reusability function.

Long-period fibre grating based biosensor for detection of DNA hybridisation

We implement an optical biosensor using long-period fibre grating immobilised with probe DNA. It has been used to detect hybridisation of target DNA, showing a high sensitivity and reusability function.

Real-time detection of DNA interactions with long-period fiber-grating-based biosensor

Using an optical biosensor based on a dual-peak long-period fiber grating, we have demonstrated the detection of interactions between biomolecules in real time. Silanization of the grating surface was successfully realized for the covalent immobilization of probe DNA, which was subsequently hybridized with the complementary target DNA sequence. It is interesting to note that the DNA biosensor was reusable after being stripped off the hybridized target DNA from the grating surface, demonstrating a function of multiple usability. © 2007 Optical Society of America.

Design, fabrication and characterization of resonant waveguide grating based optical biosensors

The absence of rapid, low cost and highly sensitive biodetection platform has hindered the implementation of next generation cheap and early stage clinical or home based point-of-care diagnostics. Label-free optical biosensing with high sensitivity, throughput, compactness, and low cost, plays an important role to resolve these diagnostic challenges and pushes the detection limit down to single molecule. Optical nanostructures, specifically the resonant waveguide grating (RWG) and nano-ribbon cavity based biodetection are promising in this context. The main element of this dissertation is design, fabrication and characterization of RWG sensors for different spectral regions (e.g. visible, near infrared) for use in label-free optical biosensing and also to explore different RWG parameters to maximize sensitivity and increase detection accuracy. Design and fabrication of the waveguide embedded resonant nano-cavity are also studied. Multi-parametric analyses were done using customized optical simulator to understand the operational principle of these sensors and more important the relationship between the physical design parameters and sensor sensitivities. Silicon nitride (SixNy) is a useful waveguide material because of its wide transparency across the whole infrared, visible and part of UV spectrum, and comparatively higher refractive index than glass substrate. SixNy based RWGs on glass substrate are designed and fabricated applying both electron beam lithography and low cost nano-imprint lithography techniques. A Chromium hard mask aided nano-fabrication technique is developed for making very high aspect ratio optical nano-structure on glass substrate. An aspect ratio of 10 for very narrow (~60 nm wide) grating lines is achieved which is the highest presented so far. The fabricated RWG sensors are characterized for both bulk (183.3 nm/RIU) and surface sensitivity (0.21nm/nm-layer), and then used for successful detection of Immunoglobulin-G (IgG) antibodies and antigen (~1μg/ml) both in buffer and serum. Widely used optical biosensors like surface plasmon resonance and optical microcavities are limited in the separation of bulk response from the surface binding events which is crucial for ultralow biosensing application with thermal or other perturbations. A RWG based dual resonance approach is proposed and verified by controlled experiments for separating the response of bulk and surface sensitivity. The dual resonance approach gives sensitivity ratio of 9.4 whereas the competitive polarization based approach can offer only 2.5. The improved performance of the dual resonance approach would help reducing probability of false reading in precise bio-assay experiments where thermal variations are probable like portable diagnostics.

Blockade of vascular smooth muscle cell proliferation and intimal thickening after balloon injury by the sulfated oligosaccharide PI-88: Phosphomannopentaose sulfate directly binds FGF-2, blocks cellular signaling, and inhibits proliferation

Percutaneous transluminal coronary angioplasty is a frequently used interventional technique to reopen arteries that have narrowed because of atherosclerosis. Restenosis, or renarrowing of the artery shortly after angioplasty, is a major limitation to the success of the procedure and is due mainly to smooth muscle cell accumulation in the artery wall at the site of balloon injury. In the present study, we demonstrate that the antiangiogenic sulfated oligosaccharide, PI-88, inhibits primary vascular smooth muscle cell proliferation and reduces intimal thickening 14 days after balloon angioplasty of rat and rabbit arteries. PI-88 reduced heparan sulfate content in the injured artery wall and prevented change in smooth muscle phenotype. However, the mechanism of PI-88 inhibition was not merely confined to the antiheparanase activity of this compound. PI-88 blocked extracellular signal-regulated kinase-1/2 (ERK1/2) activity within minutes of smooth muscle cell injury. It facilitated FGF-2 release from uninjured smooth muscle cells in vitro, and super-released FGF-2 after injury while inhibiting ERK1/2 activation. PI-88 inhibited the decrease in levels of FGF-2 protein in the rat artery wall within 8 minutes of injury. PI-88 also blocked injury-inducible ERK phosphorylation, without altering the clotting time in these animals. Optical biosensor studies revealed that PI-88 potently inhibited (K-i 10.3 nmol/L) the interaction of FGF-2 with heparan sulfate. These findings show for the first time the capacity of this sulfated oligosaccharide to directly bind FGF-2, block cellular signaling and proliferation in vitro, and inhibit injury-induced smooth muscle cell hyperplasia in two animal models. As such, this study demonstrates a new role for PI-88 as an inhibitor of intimal thickening after balloon angioplasty. The full text of this article is available online at http://www.circresaha.org.

Bioluminescent sensor for naphthalene in air: Cell immobilization and evaluation with a dynamic standard atmosphere generator

A dynamic atmosphere generator with a naphthalene emission source has been constructed and used for the development and evaluation of a bioluminescence sensor based on the bacteria Pseudomonas fluorescens HK44 immobilized in 2% agar gel (101 cell mL(-1)) placed in sampling tubes. A steady naphthalene emission rate (around 7.3 nmol min(-1) at 27 degrees C and 7.4 mLmin(-1) of purified air) was obtained by covering the diffusion unit containing solid naphthalene with a PTFE filter membrane. The time elapsed from gelation of the agar matrix to analyte exposure (""maturation time"") was found relevant for the bioluminescence assays, being most favorable between 1.5 and 3 h. The maximum light emission, observed after 80 min, is dependent on the analyte concentration and the exposure time (evaluated between 5 and 20 min), but not on the flow rate of naphthalene in the sampling tube, over the range of 1.8-7.4 nmol min(-1). A good linear response was obtained between 50 and 260 nmol L-1 with a limit of detection estimated in 20 nmol L-1 far below the recommended threshold limit value for naphthalene in air. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Caratterizzazione del legame di molecole di interesse farmaceutico alla sieroalbumina umana mediante biocromatografia e dicroismo circolare

Negli ultimi anni, un crescente numero di studiosi ha focalizzato la propria attenzione sullo sviluppo di strategie che permettessero di caratterizzare le proprietà ADMET dei farmaci in via di sviluppo, il più rapidamente possibile. Questa tendenza origina dalla consapevolezza che circa la metà dei farmaci in via di sviluppo non viene commercializzato perché ha carenze nelle caratteristiche ADME, e che almeno la metà delle molecole che riescono ad essere commercializzate, hanno comunque qualche problema tossicologico o ADME [1]. Infatti, poco importa quanto una molecola possa essere attiva o specifica: perché possa diventare farmaco è necessario che venga ben assorbita, distribuita nell’organismo, metabolizzata non troppo rapidamente, ne troppo lentamente e completamente eliminata. Inoltre la molecola e i suoi metaboliti non dovrebbero essere tossici per l’organismo. Quindi è chiaro come una rapida determinazione dei parametri ADMET in fasi precoci dello sviluppo del farmaco, consenta di risparmiare tempo e denaro, permettendo di selezionare da subito i composti più promettenti e di lasciar perdere quelli con caratteristiche negative. Questa tesi si colloca in questo contesto, e mostra l’applicazione di una tecnica semplice, la biocromatografia, per caratterizzare rapidamente il legame di librerie di composti alla sieroalbumina umana (HSA). Inoltre mostra l’utilizzo di un’altra tecnica indipendente, il dicroismo circolare, che permette di studiare gli stessi sistemi farmaco-proteina, in soluzione, dando informazioni supplementari riguardo alla stereochimica del processo di legame. La HSA è la proteina più abbondante presente nel sangue. Questa proteina funziona da carrier per un gran numero di molecole, sia endogene, come ad esempio bilirubina, tiroxina, ormoni steroidei, acidi grassi, che xenobiotici. Inoltre aumenta la solubilità di molecole lipofile poco solubili in ambiente acquoso, come ad esempio i tassani. Il legame alla HSA è generalmente stereoselettivo e ad avviene a livello di siti di legame ad alta affinità. Inoltre è ben noto che la competizione tra farmaci o tra un farmaco e metaboliti endogeni, possa variare in maniera significativa la loro frazione libera, modificandone l’attività e la tossicità. Per queste sue proprietà la HSA può influenzare sia le proprietà farmacocinetiche che farmacodinamiche dei farmaci. Non è inusuale che un intero progetto di sviluppo di un farmaco possa venire abbandonato a causa di un’affinità troppo elevata alla HSA, o a un tempo di emivita troppo corto, o a una scarsa distribuzione dovuta ad un debole legame alla HSA. Dal punto di vista farmacocinetico, quindi, la HSA è la proteina di trasporto del plasma più importante. Un gran numero di pubblicazioni dimostra l’affidabilità della tecnica biocromatografica nello studio dei fenomeni di bioriconoscimento tra proteine e piccole molecole [2-6]. Il mio lavoro si è focalizzato principalmente sull’uso della biocromatografia come metodo per valutare le caratteristiche di legame di alcune serie di composti di interesse farmaceutico alla HSA, e sul miglioramento di tale tecnica. Per ottenere una miglior comprensione dei meccanismi di legame delle molecole studiate, gli stessi sistemi farmaco-HSA sono stati studiati anche con il dicroismo circolare (CD). Inizialmente, la HSA è stata immobilizzata su una colonna di silice epossidica impaccata 50 x 4.6 mm di diametro interno, utilizzando una procedura precedentemente riportata in letteratura [7], con alcune piccole modifiche. In breve, l’immobilizzazione è stata effettuata ponendo a ricircolo, attraverso una colonna precedentemente impaccata, una soluzione di HSA in determinate condizioni di pH e forza ionica. La colonna è stata quindi caratterizzata per quanto riguarda la quantità di proteina correttamente immobilizzata, attraverso l’analisi frontale di L-triptofano [8]. Di seguito, sono stati iniettati in colonna alcune soluzioni raceme di molecole note legare la HSA in maniera enantioselettiva, per controllare che la procedura di immobilizzazione non avesse modificato le proprietà di legame della proteina. Dopo essere stata caratterizzata, la colonna è stata utilizzata per determinare la percentuale di legame di una piccola serie di inibitori della proteasi HIV (IPs), e per individuarne il sito(i) di legame. La percentuale di legame è stata calcolata attraverso il fattore di capacità (k) dei campioni. Questo parametro in fase acquosa è stato estrapolato linearmente dal grafico log k contro la percentuale (v/v) di 1-propanolo presente nella fase mobile. Solamente per due dei cinque composti analizzati è stato possibile misurare direttamente il valore di k in assenza di solvente organico. Tutti gli IPs analizzati hanno mostrato un’elevata percentuale di legame alla HSA: in particolare, il valore per ritonavir, lopinavir e saquinavir è risultato maggiore del 95%. Questi risultati sono in accordo con dati presenti in letteratura, ottenuti attraverso il biosensore ottico [9]. Inoltre, questi risultati sono coerenti con la significativa riduzione di attività inibitoria di questi composti osservata in presenza di HSA. Questa riduzione sembra essere maggiore per i composti che legano maggiormente la proteina [10]. Successivamente sono stati eseguiti degli studi di competizione tramite cromatografia zonale. Questo metodo prevede di utilizzare una soluzione a concentrazione nota di un competitore come fase mobile, mentre piccole quantità di analita vengono iniettate nella colonna funzionalizzata con HSA. I competitori sono stati selezionati in base al loro legame selettivo ad uno dei principali siti di legame sulla proteina. In particolare, sono stati utilizzati salicilato di sodio, ibuprofene e valproato di sodio come marker dei siti I, II e sito della bilirubina, rispettivamente. Questi studi hanno mostrato un legame indipendente dei PIs ai siti I e II, mentre è stata osservata una debole anticooperatività per il sito della bilirubina. Lo stesso sistema farmaco-proteina è stato infine investigato in soluzione attraverso l’uso del dicroismo circolare. In particolare, è stato monitorata la variazione del segnale CD indotto di un complesso equimolare [HSA]/[bilirubina], a seguito dell’aggiunta di aliquote di ritonavir, scelto come rappresentante della serie. I risultati confermano la lieve anticooperatività per il sito della bilirubina osservato precedentemente negli studi biocromatografici. Successivamente, lo stesso protocollo descritto precedentemente è stato applicato a una colonna di silice epossidica monolitica 50 x 4.6 mm, per valutare l’affidabilità del supporto monolitico per applicazioni biocromatografiche. Il supporto monolitico monolitico ha mostrato buone caratteristiche cromatografiche in termini di contropressione, efficienza e stabilità, oltre che affidabilità nella determinazione dei parametri di legame alla HSA. Questa colonna è stata utilizzata per la determinazione della percentuale di legame alla HSA di una serie di poliamminochinoni sviluppati nell’ambito di una ricerca sulla malattia di Alzheimer. Tutti i composti hanno mostrato una percentuale di legame superiore al 95%. Inoltre, è stata osservata una correlazione tra percentuale di legame è caratteristiche della catena laterale (lunghezza e numero di gruppi amminici). Successivamente sono stati effettuati studi di competizione dei composti in esame tramite il dicroismo circolare in cui è stato evidenziato un effetto anticooperativo dei poliamminochinoni ai siti I e II, mentre rispetto al sito della bilirubina il legame si è dimostrato indipendente. Le conoscenze acquisite con il supporto monolitico precedentemente descritto, sono state applicate a una colonna di silice epossidica più corta (10 x 4.6 mm). Il metodo di determinazione della percentuale di legame utilizzato negli studi precedenti si basa su dati ottenuti con più esperimenti, quindi è necessario molto tempo prima di ottenere il dato finale. L’uso di una colonna più corta permette di ridurre i tempi di ritenzione degli analiti, per cui la determinazione della percentuale di legame alla HSA diventa molto più rapida. Si passa quindi da una analisi a medio rendimento a una analisi di screening ad alto rendimento (highthroughput- screening, HTS). Inoltre, la riduzione dei tempi di analisi, permette di evitare l’uso di soventi organici nella fase mobile. Dopo aver caratterizzato la colonna da 10 mm con lo stesso metodo precedentemente descritto per le altre colonne, sono stati iniettati una serie di standard variando il flusso della fase mobile, per valutare la possibilità di utilizzare flussi elevati. La colonna è stata quindi impiegata per stimare la percentuale di legame di una serie di molecole con differenti caratteristiche chimiche. Successivamente è stata valutata la possibilità di utilizzare una colonna così corta, anche per studi di competizione, ed è stata indagato il legame di una serie di composti al sito I. Infine è stata effettuata una valutazione della stabilità della colonna in seguito ad un uso estensivo. L’uso di supporti cromatografici funzionalizzati con albumine di diversa origine (ratto, cane, guinea pig, hamster, topo, coniglio), può essere proposto come applicazione futura di queste colonne HTS. Infatti, la possibilità di ottenere informazioni del legame dei farmaci in via di sviluppo alle diverse albumine, permetterebbe un migliore paragone tra i dati ottenuti tramite esperimenti in vitro e i dati ottenuti con esperimenti sull’animale, facilitando la successiva estrapolazione all’uomo, con la velocità di un metodo HTS. Inoltre, verrebbe ridotto anche il numero di animali utilizzati nelle sperimentazioni. Alcuni lavori presenti in letteratura dimostrano l’affidabilita di colonne funzionalizzate con albumine di diversa origine [11-13]: l’utilizzo di colonne più corte potrebbe aumentarne le applicazioni.

Hsp90 characterization and inhibition: a multi-methodological study

Many physiological and pathological processes are mediated by the activity of proteins assembled in homo and/or hetero-oligomers. The correct recognition and association of these proteins into a functional complex is a key step determining the fate of the whole pathway. This has led to an increasing interest in selecting molecules able to modulate/inhibit these protein-protein interactions. In particular, our research was focused on Heat Shock Protein 90 (Hsp90), responsible for the activation and maturation and disposition of many client proteins [1], [2] [3]. Circular Dichroism (CD) spectroscopy, Surface Plasmon Resonance (SPR) and Affinity Capillary Electrophoresis (ACE) were used to characterize the Hsp90 target and, furthermore, its inhibition process via C-terminal domain driven by the small molecule Coumermycin A1. Circular Dichroism was used as powerful technique to characterize Hsp90 and its co-chaperone Hop in solution for secondary structure content, stability to different pHs, temperatures and solvents. Furthermore, CD was used to characterize ATP but, unfortunately, we were not able to monitor an interaction between ATP and Hsp90. The utility of SPR technology, on the other hand, arises from the possibility of immobilizing the protein on a chip through its N-terminal domain to later study the interaction with small molecules able to disrupt the Hsp90 dimerization on the C-terminal domain. The protein was attached on SPR chip using the “amine coupling” chemistry so that the C-terminal domain was free to interact with Coumermycin A1. The goal of the experiment was achieved by testing a range of concentrations of the small molecule Coumermycin A1. Despite to the large difference in the molecular weight of the protein (90KDa) and the drug (1110.08 Da), we were able to calculate the affinity constant of the interaction that was found to be 11.2 µm. In order to confirm the binding constant calculated for the Hsp90 on the chip, we decided to use Capillary Electrophoresis to test the Coumermycin binding to Hsp90. First, this technique was conveniently used to characterize the Hsp90 sample in terms of composition and purity. The experimental conditions were settled on two different systems, the bared fused silica and the PVA-coated capillary. We were able to characterize the Hsp90 sample in both systems. Furthermore, we employed an application of capillary electrophoresis, the Affinity Capillary Electrophoresis (ACE), to measure and confirm the binding constant calculated for Coumermycin on Optical Biosensor. We found a KD = 19.45 µM. This result compares favorably with the KD previously obtained on biosensor. This is a promising result for the use of our novel approach to screen new potential inhibitors of Hsp90 C-terminal domain.