Desarrollo de tecnologías de sistemas de detección in vitro para COVID-19, enfermedad de Alzheimer y cáncer colorrectal
Authors:   , González Valle Luis 
Published: February 2025

Biomarker detection in clinical diagnostics has been a breakthrough in modern medicine. Thanks to these biomarkers, many diseases can be better understood, detect them earlier and study patients evolution, allowing a more personalized and effective treatment. These markers are very heterogeneous, with many types, ranging from macromolecules such as proteins or oligonucleotides, to simple molecules. Due to this wide variety, it is possible to obtain information on multiple biological processes, pathological mechanisms or the response to a treatment.

This thesis has two main objectives, the first one is the development of in-vitro detection system technologies by improving diagnostic kits in order to detect biomarkers to study different diseases. These kits are composed by interferometric biosensors by means of which COVID-19 (Coronavirus disease 2019), Alzheimer's disease and colorrectal cancer will be studied. In the colorrectal cancer study, there is also a second objective, which is to carry out a continuous culture model using Organ-on-a-chip technology by manufacturing microfluidic chips.

For the first objective, the diagnostic kits used during the thesis evolution are based on cells that act as optical biosensors, these cells consist of Fabry-Pérot interferometers. Information about the binding between antibody and antigen is obtained through a process of vertical optical interrogation of the biosensor, called Interferometric Optical Detection Methodology (IODM), thus detecting the desired analyte. This interferometric signal can be optimized by using two types of nanoparticles in order to increase the biosensor sensitivity, specifically gold nanoparticles and magnetic iron oxide nanoparticles, which will be used in the immunoassays.

For the second objective, biopsies culture are performed, obtained from patients suffering from colon cancer, both from affected and unaffected tissue. Organoids derived from these biopsies are then developed and cultured on both plate and microfluidic chip. Once the organoids are generated, a way to characterize them is proposed; in addition, a competitive assay is proposed to detect the tumor biomarker presence in the culture medium.

In short, in this thesis, three different diseases studies are carried out, in which several biomarkers characteristic of these pathologies are analyzed. The diseases studied are COVID-19, detecting specific antibodies against SARS-CoV-2; Alzheimer's disease, detecting Tau and Lactoferrin proteins; and colon cancer, detecting a possible biomarker, the protein IGFBP2 (Insulin-like growth factor-binding protein 2).

RESUMEN

La detección de marcadores biológicos en el campo de la clínica ha significado un gran avance en la medicina moderna. Gracias a estos biomarcadores, se pueden comprender mejor numerosas enfermedades, detectarlas de manera más temprana y estudiar la evolución de la enfermedad, permitiendo una medicina más personalizada y un tratamiento más efectivo. Estos marcadores son muy heterogéneos, existiendo multitud de tipos, desde macromoléculas como proteínas u oligonucleótidos, hasta moléculas simples. Gracias a esta gran variedad se puede obtener información de múltiples procesos biológicos, de mecanismos patológicos o de la respuesta a un tratamiento.

Esta tesis tiene dos objetivos principales, el primero es el desarrollo de tecnologías de sistemas de detección in vitro mediante la mejora de kits de diagnóstico con el fin de detectar biomarcadores que permitan estudiar diferentes enfermedades. Estos kits están formados por biosensores interferométricos mediante los cuales se estudiarán la COVID-19, la enfermedad de Alzheimer, así como el cáncer de colon. En esta última enfermedad, además, existe un segundo objetivo, que consiste en realizar un modelo de cultivo en continuo empleando la tecnología Organ-on-a-chip mediante la fabricación de chips microfluídicos.

Para el primer objetivo, los kits de diagnóstico utilizados durante el desarrollo de la tesis están basados en celdas que actúan como biosensores ópticos, estas celdas consisten en interferómetros Fabry-Pérot. Mediante un proceso de interrogación óptica vertical del biosensor, denominado Metodología de Detección Óptica Interferométrica (IODM por sus siglas en inglés), se obtiene información de la unión entre anticuerpo y antígeno, detectando así el analito deseado. Esta señal interferométrica puede ser optimizada mediante el empleo de dos tipos de nanopartículas con el fin de aumentar la sensibilidad del biosensor, en concreto, nanopartículas de oro y nanopartículas magnéticas de óxido de hierro, que serán usadas en los inmunoensayos.

Para el segundo objetivo, se realizan cultivos de biopsias obtenidas de pacientes que padecen cáncer de colon, tanto de tejido afectado como no afectado. Seguidamente, se desarrollan organoides derivados de estas biopsias, los cuales se cultivan tanto en placa como en chip microfluídico. Una vez generados los organoides, se propone una forma de caracterizarlos; además se plantea un ensayo competitivo con el cual detectar la presencia de un biomarcador tumoral en el medio de cultivo.

En definitiva, en esta tesis se llevan a cabo estudios de tres enfermedades diferentes, en ellos se analizan diversos biomarcadores característicos de estas patologías. Las enfermedades estudiadas son la COVID-19, detectando anticuerpos específicos frente a SARS-CoV-2; la enfermedad de Alzheimer, detectando las proteínas Tau y Lactoferrina; y el cáncer de colon, detectando un posible marcador, la proteína IGFBP2 (siglas del nombre en inglés Insulin-like growth factor-binding protein 2).