Aspectos clave para el desarrollo de inmunosensores digitales electroquímicos sostenibles

Resumen

Los test en el lugar de asistencia del paciente (más conocido por su nombre en inglés, Point-of-Care) (POC) son necesarios porque permiten realizar un primer diagnóstico rápido fuera de un laboratorio especializado. Por un lado, dentro de los POC, podemos encontrar dispositivos relativamente sofisticados capaces de cuantificar y almacenar la información proporcionada por uno o varios sensores, con la desventaja de que en la mayoría de los casos su coste es por unidad es muy elevado. Por el otro lado, encontramos dispositivos basados en papel extremadamente sencillos y de muy bajo coste, como los denominados test de flujo lateral, en los que se realiza un inmunoensayo con solo una gota de saliva, sangre, sudor u orina. Algunos ejemplos de estos últimos son el test de embarazo, el test del VIH o el más reciente test rápido para la detección del SARS-CoV-2. Los test de flujo lateral tienen una respuesta cualitativa o semicuantitativa que permite una inspección visual del resultado, mientras que, si se requiere de una cuantificación más precisa e inequívoca, se necesita incorporar un sistema de lectura. En este sentido, se han estudiado diferentes técnicas para cuantificar la señal, siendo la más prometedora el uso de técnicas electroquímicas. Sin embargo, todas las propuestas realizadas hasta la fecha siguen usando fuentes de alimentación externas y módulos electrónicos, incumpliendo así buena parte de los criterios ASSURED propuestos por la OMS. Así, urge la necesidad de encontrar una alternativa viable capaz de aportar una lectura a un coste mínimo y sin requerir de equipos externos. En este sentido, esta tesis profundiza en diversos aspectos encaminados a estudiar la viabilidad de un test electroquímico autoalimentado de un solo uso que pueda cumplir con los criterios de coste, simplicidad y sensibilidad requeridos para convertirse en un test de impacto global. El primer capítulo experimental de la tesis describe qué efectos puede tener la selección de distintos papeles comúnmente empleados en los dispositivos analíticos basados en papel en la respuesta electroquímica de un sensor. Este estudio resulta novedoso, ya que, a pesar del gran número de dispositivos de papel publicados hasta la fecha, no existía ningún estudio detallado sobre el efecto de la porosidad del papel en la respuesta electroquímica de los mismos. Los resultados obtenidos experimentalmente fueron validados mediante simulaciones realizadas en COMSOL Multyphisics®. Gracias a ello se ha podido demostrar que la elección del papel juega un papel determinante en la sensibilidad del sistema. En el segundo capítulo experimental se presenta un prototipo de un dispositivo basado en papel en el que se realiza un inmunoensayo completamente autoalimentado para la detección del biomarcador CRP. La detección del biomarcador se realiza mediante anticuerpos marcados con la enzima HRP. En el inmunoensayo se usa Mg como ánodo y la benzoquinona (BQ) producida por la enzima como catolito, de tal forma que la energía producida es directamente proporcional a la concentración del marcador a detectar. Los valores de detección obtenidos con este sistema se encuentran dentro de un rango clínico relevante - entre 1 y 3 mg·L-1 de CRP - y con voltajes de salida mayores a 1.55 V. Este capítulo presenta un punto de partida hacia una nueva generación de inmunoensayos digitales y autoalimentados mucho más sencillos y asequibles que los actualmente presentes en el mercado del diagnóstico. Finalmente, con el fin de substituir las enzimas por compuestos inorgánicos con mayor reproducibilidad y robustez que permitan disminuir variabilidades en los dispositivos de diagnóstico, así como simplificar el diseño y abaratar los costes, en el tercer capítulo experimental se procedió a estudiar la viabilidad de usar nanopartículas (NP) de ceria como agentes catalíticos. Los resultados nos muestran que, a diferencia de lo ampliamente reportado, las NPs de ceria no actúan como catalizador de la reacción de oxidación de un mediador, sino que se comportan como agente oxidante. Esta característica hace que la cantidad de moléculas de ferrocianuro oxidadas por cada nanopartícula presente en la muestra sea fija y que, además, la reacción de oxidación se detenga una vez consumido todo el cerio disponible. La caracterización de estos materiales ha demostrado una alta reproducibilidad incluso en condiciones de almacenamiento poco controladas, lo que las hace firmes candidatas a substituir a las enzimas usadas en los inmunoensayos actuales.