Nano(bio)sensores electroquímicos y plasmónicos para la cuantificación de biomarcadores de relevancia clínica

Abstract

Los biosensores representan una interesante alternativa para el desarrollo de estrategias que permitan la detección descentralizada de biomarcadores (indicadores de diagnosis/prognosis de una enfermedad), por las múltiples ventajas que ofrecen en cuanto sensibilidad, selectividad, posibilidad de miniaturización, uso amigable, entre otros. En la presente Tesis Doctoral se desarrollaron nano(bio)sensores electroquímicos y plasmónicos basados en el empleo de nanoestructuras de carbono funcionalizadas con (bio)moléculas racionalmente seleccionadas para la cuantificación de biomarcadores de relevancia clínica, asociados con varios tipos cáncer, con el COVID-19 y con enfermades metabólicas, sentando las bases para futuras aplicaciones descentralizadas. En el caso del cáncer, enfermedad que causó 1,4 millones de muertes en todo el mundo en el año 2022, la mayoría de los métodos no detectan la enfermedad en sus primeros estadios, por lo que el desarrollo de herramientas (bio)analíticas que posibiliten un diagnóstico temprano, constituye un gran reto para la Química Clínica/Medicina contemporáneas. El diagnóstico de COVID-19, enfermedad responsable de 7 millones de muertes hasta el año 2023, se hace fundamentalmente con la técnica “gold standard”, la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), la cual es costosa y requiere tiempo y personal especializado, por lo que surge la necesidad de desarrollar metodologías para la detección rápida y amigable del SARS CoV-2. La Parte 1 presenta el marco teórico-metodológico de la Tesis. En el Capítulo 1 se hace una introducción general fundamentada en tres ejes: I) biomarcadores, describiendo su empleo como agentes de diagnóstico, pronóstico y seguimiento terapéutico de diversas enfermedades, II) biosensores, donde se discute sobre sus componentes, clasificación y su rol fundamental en la química clínica moderna y III) nanoestructuras de carbono, específicamente grafeno y nanotubos de carbono describiendo sus características generales, la relación entre la estructura y las propiedades electroquímicas y ópticas, y el efecto que estas tienen sobre la performance analítica de los biosensores desarrollados. En el Capítulo 2 se discuten las técnicas empleadas y se describen los fundamentos y conceptos necesarios para la comprensión de los resultados presentados, así como el equipamiento y las metodologías utilizadas. La Parte 2 de esta Tesis se centra en los resultados alcanzados y las conclusiones finales. En el Capítulo 3 se reporta la construcción de dos plataformas genosensoras para la cuantificación del microRNA-21, importante biomarcardor de diversos tipos de cáncer: una impedimétrica, basada en el empleo de óxido de grafeno reducido químicamente unido covalentemente a quitosano; y otra plasmónica, basada en el autoensamblado de bicapas de óxido de grafeno y poli(dialil-dimetilamonio). En el Capítulo 4 se aborda el desarrollo de una novedosa plataforma multipropósito basada en el empleo de nanotubos de carbono de pared múltiple dispersos en avidina y su aplicación en la construcción de dos genosensores impedimétricos dirigidos a la cuantificación del gen BRCA1, biomarcador asociado a cáncer de mama y de ovario, y del ácido nucleico copia del ARN del SARS CoV-2. En el Capítulo 5 se propone el empleo de la inmunoglobulina G humana como nuevo agente exfoliante de nanotubos de carbono de pared múltiple, y se presenta la caracterización del nanohíbrido por técnicas electroquímicas y no electroquímicas y se discute su empleo para la construcción de diversos (bio)sensores, basados en dos aspectos principales: I) en las propiedades de biorreconocimiento de la inmunoglobulina que soporta los nanotubos de carbono de pared múltiple, dando lugar a una estrategia inédita y de gran versatilidad para el futuro desarrollo de inmunosensores y II) en las propiedades electrocatalíticas de los nanotubos de carbono de pared múltiple exfoliados. En el Capítulo 6 se presentan las conclusiones generales de este trabajo de Tesis.

Biosensors represent an interesting alternative for the development of strategies that allow the decentralized detection of biomarkers (diagnostic/prognosis indicators of a disease), due to the multiple advantages they offer in terms of sensitivity, selectivity, possibility of miniaturization and ecological use, among others. In this Doctoral Thesis, electrochemical and plasmonic nano(bio)sensors were developed based on the use of functionalized carbon nanostructures with rationally selected (bio)molecules for the quantification of biomarkers of clinical relevance, associated with various types of cancer, COVID-19. 19 and metabolic diseases, laying the foundations for future decentralized applications. In the case of cancer, a disease that caused 1.4 million deaths worldwide in 2022, most methods do not detect the disease in its early stages, so the development of (bio)analytical tools that enable an early diagnosis, constitutes a great challenge for contemporary Clinical Chemistry/Medicine. The diagnosis of COVID-19, a disease responsible for 7 million deaths until the year 2023, is mainly made with the gold standard technique, polymerase chain reaction (PCR), which is expensive and requires time and personnel. specialized, so the need arises to develop methodologies for the rapid and friendly detection of SARS CoV-2. Part 1 presents the theoretical-methodological framework of the Thesis. Chapter 1 provides a general introduction based on three axes: I) biomarkers, describing their use as diagnostic, prognostic, and therapeutic monitoring agents for various diseases, II) biosensors, where their components, classification, and fundamental role in modern chemistry are discussed and III) carbon nanostructures, specifically graphene and carbon nanotubes, describing their general characteristics, the relationship between the structure and the electrochemical and optical properties, and the effect they have on the analytical performance of the biosensors developed. Chapter 2 discusses the techniques used and describes fundamental and concepts necessary to understand the results presented, as well as the equipment and methodologies used. Part 2 of this Thesis focuses on the results achieved and the final conclusions. Chapter 3 reports the construction of two genosensor platforms for the quantification of microRNA-21, an important biomarker of various types of cancer: an impedimetric platform, based on the use of chemically reduced graphene oxide covalently bonded to chitosan; and another plasmonic, based on the self-assembly of bilayers of graphene oxide and poly(dialyl-dimethylammonium). Chapter 4 addresses the development of a novel multipurpose platform based on the use of multi-walled carbon nanotubes dispersed in avidin and its application in the construction of two impedimetric genosensors to quantify the BRCA1 gene, a biomarker associated with breast and ovary cancer, and for the nucleic acid copy of the SARS CoV-2 RNA. Chapter 5 proposes the use of human immunoglobulin G as a new exfoliating agent for multi-walled carbon nanotubes, and presents the characterization of the nanohybrid by electrochemical and non-electrochemical techniques and discusses its use for the construction of various (bio )sensors, based on two main aspects: I) on the immunorecognition properties of the immunoglobulin that supports multi-walled carbon nanotubes, giving rise to an unprecedented and highly versatile strategy for the future development of immunosensors and II) on the Electrocatalytic properties of exfoliated multi-walled carbon nanotubes. In Chapter 6 the general conclusions of this Thesis work are presented.