Nanomaterials and biosensors for health applications

Abstract

Health diagnosis is crucial, especially when it comes to the early detection of cancer. Initiating treatment promptly following an early-stage diagnosis can help patients live longer. The problem with current diagnostics is that the analytical techniques commonly used are not sensitive enough to detect the disease in its earliest stages.. When cancer is at its beginning, only very small amounts of cancer related biomarkers are present in the biofluids, and current state-of-the-art analytical techniques are incapable of detecting them.. However, biosensor technologies can overcome this disadvantage, especially when nanomaterials are integrated to improve its analytical performance. In this dissertation, four biosensors were developed for quantitative detection of cancer- related biomarkers. Different biorecognition elements and signal transducer systems were used by integrating nanomaterials whose unique properties synergistically improved the an- alytical features for detecting small amounts of circulating biomarkers. The selected targets were two proteins (lysozyme and nucleolin) whose expression is fre- quently altered in cancer, allantoin as a metabolite of oxidative stress, since oxidative stress, inflammation and cancer are linked, and non-coding microRNAs as regulators of gene expres- sion and epigenetics, namely microRNA-21-5p, a typical onco-microRNA. Since the targets have different molecular complexity, molecular imprinting and antibody-antigen affinity binding were chosen for biorecognition, except for microRNA, which was based on hybridi- zation with an oligonucleotide probe. Biorecognition was combined with optical (reflectance and surface-enhanced Raman spectroscopy), electrochemical or both signal transduction methods. All biosensors incorporated nanomaterials into their design, namely silica nanoparticles, silver rnanostars and Prussian blue nanocubes. This strategy takes advantage of their unique properties, which enabled ultrasensitive responses, low cost and simplicity. At the same time, the use of biodegradable substrates was implemented in biosensor development considering the need to increase the sustainability of disposable devices. The main goal is that these new technologies can be used as point-of-care diagnostic devices in the future.

O diagnóstico clínico é fundamental, principalmente para deteção precoce de cancro, de modo que o tratamento possa ser iniciado imediatamente, tornando-o mais eficaz e aumen- tando as possibilidades de cura e de sobrevida dos pacientes. As técnicas analíticas utilizadas nos diagnósticos atuais não são suficientemente sensíveis para detetar cancro nas suas fases iniciais, mas apenas quando este já se disseminou, sendo, portanto, difícil erradicar esta do- ença. Existem moléculas que circulam nos fluidos biológicos humanos, cujos níveis alterados podem ser medidos como indicadores de doença, funcionando assim como biomarcadores. No entanto, quando a doença está numa fase inicial, estes biomarcadores estão presentes nos biofluidos em quantidades reduzidas, pelo que as técnicas analíticas atuais não permitem a sua deteção. Os biossensores apresentam-se como uma tecnologia que pode superar esta des- vantagem, especialmente quando se integram nanomateriais para melhorar o desempenho analítico. Nesta dissertação, foram desenvolvidos quatro biossensores para a deteção de biomar- cadores relacionados com cancro. Utilizaram-se diferentes elementos de biorreconhecimento e sistemas transdutores, integrando nanomateriais cujas propriedades melhoraram sinergica- mente as caraterísticas analíticas para detetar pequenas quantidades de biomarcadores circu- lantes. Os alvos selecionados foram duas proteínas (lisozima e nucleolina) cuja expressão é frequentemente alterada em cancro, a alantoína como metabolito de stress oxidativo, uma vez que stress oxidativo, inflamação e cancro estão interligados, e o microRNA não codificante como regulador da expressão genética e epigenética, nomeadamente o microRNA-21-5p, um onco-microRNA comum. Como os alvos possuem uma complexidade molecular diferente, uti- lizou-se a impressão molecular e a ligação de afinidade anticorpo-antigénio para biorreconhe- cimento, exceto para o microRNA, que foi baseado na hibridização com uma sonda oligonu- cleotídica. O biorreconhecimento foi integrado com métodos de transdução de sinais óticos (refletância e Espectroscopia Raman amplificada por superfície, do inglês, surface-enhanced Raman spectroscopy), eletroquímicos ou ambos. Foram incorporados nanomateriais em todos os biossensores, nomeadamente nanopar- tículas de silica, nanoestrelas de prata e nanocubos de azul da Prússia, tendo como objetivo aproveitar as suas caraterísticas únicas, que permitem respostas ultrassensíveis, baixo custo e simplicidade. Ao mesmo tempo, considerando a necessidade de aumentar a sustentabilidade dos dispositivos descartáveis, foi implementada a utilização de substratos biodegradáveis no desenvolvimento dos biossensores. O objetivo global é que estas novas tecnologias possam ser usadas no futuro como dispositivos de diagnóstico no local de atendimento médico.