Development of an in‐vitro optical diagnostic system for the detection of different pathologies. Case studies of Coronavirus Disease 2019 and Alzheimer's Disease
Authors:   , Martín Murillo Ana María 
Published: September 2024

The area of clinical diagnostics and increasingly specific and sensitive detection systems has acquired great relevance in recent decades, in particular, the field of biosensors, as they are a powerful tool for the diagnosis of diseases. This is because they allow the analysis and measurement of a great variety of biomarkers specific to each pathology in a multitude of human samples such as blood, urine, saliva, etc.

This added to the advantages they provide, such as the possibility of obtaining results quickly, their high sensitivity and specificity, their portability, versatility, and easy handling, make them a great alternative in the diagnostic field, allowing in many occasions the early detection of diseases and consequently the improvement of treatments, as well as monitoring chronic diseases. In this way, it is possible to offer a more personalized and efficient medicine.

In recent years the growth in the use of biosensors has seen a large increase mainly due to the pandemic caused by Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in March 2020, responsible for Coronavirus Disease 2019 (COVID-19). At that time, biosensors were crucial for the detection and control of the disease. This was one of the motivations in the work of this thesis, since, when the beginning of the pandemic was decreed, the development of an in-vitro diagnostic system based on an optical biosensor for the detection of specific antibodies (Abs) against SARS-CoV-2, both in serum and saliva, was prioritized as an objective. In addition to detecting other biomarkers related to the disease.

On the other hand, among the increasingly widespread pathologies worldwide are Neurodegenerative Diseases (NDD), with Alzheimer's Disease (AD) being the leading cause of dementia. One of the major problems related to this disease is that it has no cure and that the symptoms appear once it is very advanced. It has been demonstrated that the first changes that occur are at the biochemical level, changing the expression profile of certain biomarkers such as tau protein, among others, in addition to the appearance of pathological structures in the brain. This is why it is of the utmost importance to have a system capable of detecting these variations that are difficult to detect.

This is the motivation for the second main objective of this thesis, which is the development of an in-vitro diagnostic system using the same type of biosensor for the detection of biomarkers related to AD in different types of human samples.

During the development of this thesis, it was possible to detect specific Abs against SARS-CoV-2 in serum samples of patients who had suffered from the disease (severe, moderate, and mild) and to perform a study of Ab detection in the saliva of volunteers over time.

Thanks to these experiments, it was possible to develop a mathematical model to determine the severity of the disease based on the different biomarkers measured in the patient's samples.

In the case of AD, a system based on the use of nanoparticles (NPs) was developed to reach very low detection levels of tau protein in serum samples. In addition, we were able to determine other markers such as lactoferrin in saliva samples or the phosphorylation of tau protein (which is increased in the progression of the disease).

So, in conclusion, we were able to develop a diagnostic KIT valid for different pathologies and that is extrapolable thanks to its versatility to any other pathology. Thanks also to the use of NPs it is possible to use samples with more complex matrices and to reach much lower detection limits, making the use of this type of biosensor with NPs a great tool for the early diagnosis of diseases.

RESUMEN

El área del diagnóstico clínico y los sistemas de detección cada vez más específicos y sensibles ha tomado una gran relevancia en las últimas décadas, en concreto, el campo de los biosensores, ya que son una gran herramienta para el diagnóstico de enfermedades. Esto se debe a que permiten el análisis y la medición de una gran variedad de biomarcadores específicos de cada patología en multitud de muestras humanas.

Esto sumado a las ventajas que proporcionan, como la posibilidad de obtener resultados de forma rápida, su alta sensibilidad y especificidad, su portabilidad, la versatilidad y su fácil manejo, hacen que sean una gran alternativa en el campo diagnóstico, permitiendo en muchas ocasiones la detección temprana de enfermedades y consecuentemente la mejora de tratamientos, así como el seguimiento de enfermedades crónicas. De esta forma es posible ofrecer una medicina más personalizada y eficiente.

En los últimos años el crecimiento del uso de los biosensores ha sufrido un gran aumento sobre todo debido a la pandemia causada por el Coronavirus del Síndrome Respiratorio Agudo Grave de tipo 2 (SARS-CoV-2) en marzo de 2020, responsable de la Enfermedad por Coronavirus 2019 (COVID-19). Momento en el que los biosensores fueron cruciales para la detección y control de la enfermedad. Esto fue una de las motivaciones en el trabajo de esta tesis, ya que, al decretarse el inicio de la pandemia, se priorizó como objetivo el desarrollo de un sistema de diagnóstico in-vitro basado en un biosensor óptico para la detección de anticuerpos específicos frente al SARS-CoV-2, tanto en suero como en saliva. Además de detectar otros biomarcadores referentes a la enfermedad.

Por otro lado, dentro de las patologías cada vez más extendidas a nivel mundial, se encuentran las enfermedades neurodegenerativas, siendo la enfermedad de Alzheimer (EA) la primordial causa de demencia. Uno de los mayores problemas relativos a esta enfermedad es que no tiene cura, y que los síntomas aparecen una vez se encuentra muy avanzada. Está demostrado que los primeros cambios que ocurren se dan a nivel bioquímico, cambiando el perfil de expresión de determinados biomarcadores como la proteína tau, entre otras, además de la aparición de estructuras patológicas a nivel cerebral. Es por esto que es de relevada importancia contar con un sistema capaz de detectar dichas variaciones que son difícilmente perceptibles.

Es aquí donde se encuentra la motivación para el segundo gran objetivo de esta tesis que es el desarrollo de un sistema de diagnóstico in-vitro utilizando el mismo tipo de biosensor para la detección de biomarcadores relacionados con la EA en diferentes tipos de muestras humanas.

Durante el desarrollo de esta tesis se consiguieron detectar anticuerpos específicos frente al SARS-CoV-2 en muestras de suero de pacientes que habían sufrido la enfermedad (graves, moderados y leves) y realizar un estudio de detección de anticuerpos en saliva de voluntarios a lo largo del tiempo.

Gracias a estos experimentos se pudo desarrollar un modelo matemático para determinar la gravedad de la enfermedad en base a los diferentes biomarcadores medidos en las muestras de los pacientes.

Para el caso de la EA, se consiguió desarrollar un sistema basado en el uso de nanopartículas para llegar a niveles de detección muy bajos de la proteína tau en muestras de suero. Además, se pudieron determinar otros marcadores como la lactoferrina en muestras de saliva o la fosforilación de la proteína tau (aumentada en el progreso de la enfermedad).

Por lo que, en conclusión, fuimos capaces de desarrollar un KIT de diagnóstico válido para diferentes patologías y que es extrapolable gracias a su versatilidad a cualquier otra patología. Gracias también al uso de las nanopartículas se pueden emplear muestras con matrices más complejas y llegar a límites de detección mucho más bajos, haciendo que el uso de este tipo de biosensor con las nanopartículas sea una gran herramienta para el diagnóstico.