Aspectos clave para el desarrollo de inmunosensores digitales electroquímicos sostenibles

Resum

Els test en el lloc d’assistència del pacient (més conegut pel seu nom en anglès, Point-of-Care) (POC) son necessaris per que permeten realitzar un primer diagnòstic ràpid fora d’un laboratori especialitzat. Per un costat, dins dels POC, podem trobar dispositius relativament sofisticats capaços de quantificar i emmagatzemar la informació proporcionada per un o varis sensors, amb la desavantatge que en la majoria de casos el seu cost per unitat es molt elevat. D’altra banda, trobem dispositius basats en paper extremadament senzills i d’un cost molt baix, com els denominats test de flux lateral, en el que es realitza un immunoassaig amb una sola gota de saliva, sang, suor o orina. Alguns d’aquests exemples d’aquests últims son els test d’embaràs, el test d’VIH o el més recent test ràpid per a la detecció del SARS-CoV-2. Els test de flux lateral tenen una resposta qualitativa o semi-quantitativa que permet una inspecció visual del resultat, mentre que, si es requereix d’una quantificació més precisa i inequívoca, es necessita de la incorporació d’un sistema de lectura. En aquest sentit, s’han estudiat diferents tècniques per quantificar la senyal, sent la més prometedora l’ús de tècniques electroquímiques. No obstant, totes les propostes realitzades fins la data segueixen sent fonts d’alimentació externes i mòduls electrònics, incomplint així bona part dels criteris ASSURED proposats per la OMS. Així, urgeix la necessitat de trobar una alternativa viable capaç d’aportar una lectura a un cost mínim i sense requerir d’equips externs. En aquest sentit, aquesta tesi profunditza en diversos aspectes encaminats a estudiar la viabilitat d’un test electroquímic autoalimentat d’un sol ús que pugui complir amb els criteris de cost, simplicitat i sostenibilitat requerits per a convertir-se en un test d’impacte global. El primer capítol experimental de la tesi descriu quins efectes pot tenir la selecció de diferents papers comunament emprats en els dispositius analítics basats en paper en la resposta electroquímica d’un sensor. Aquest estudi resulta nou, ja que, malgrat que hi ha un gran número de dispositius de paper publicats, no existeix cap estudi detallat sobre l’efecte de la porositat del paper en la resposta electroquímica d’aquests. Els resultats obtinguts experimentalment van ser validats mitjançant simulacions realitzades en COMSOL Multyphisics®. Gràcies a això, s’ha pogut demostrar que l’elecció del paper juga un paper determinant en la sensibilitat del sistema. En el segon capítol experimental es presenta un prototip d’un dispositiu basat en paper en el que es realitza un immunoassaig completament auto-alimentat per la detecció del biomarcador CRP. La detecció del biomarcador es realitza mitjançant anticossos marcats amb l’enzim HRP. A l’immunoassaig es fa servir Mg com ànode i benzoquinona (BQ) produïda per l’enzim com catolit, de tal forma que l’energia produïda es directament proporcional a la concentració del marcador a detectar. Els valors de detecció obtinguts amb aquest sistema es troben dins d’un rang clínic rellevant – entre 1 i 3 mg·L-1 de CRP – i amb voltatges de sortida majors a 1.55V. Aquest capítol presenta un punt de partida cap a una nova generació d’immunoassaigs digitals i auto-alimentats molt més senzills i assequibles que els actualment presents en el mercat del diagnòstic. Finalment, amb el fi de substituir els enzims per compostos inorgànics amb major reproductibilitat i robustesa que permetin disminuir variabilitats en els dispositius de diagnòstic, així com simplificar el disseny i abaratir els costs, en el tercer capítol experimental es va procedir a estudiar la viabilitat de fer servir nanopartícules (NP) de ceria com a agents catalítics. Els resultats ens mostren que, a diferència del que és àmpliament reportat, les NPs de ceria no actuen com catalitzadors de la reacció d’oxidació d’un mediador, si no que es comporten com agents oxidants. Aquesta característica fa que la quantitat de molècules de ferrocianur oxidades per cada NP present a la mostra sigui fixa i que, a més, la reacció d’oxidació s’aturi un cop consumit tot el ceri disponible. La caracterització d’aquests materials han demostrat una alta reproductibilitat inclús en condicions d’emmagatzematge poc controlats, fet que el fa firmes candidates a substituir als enzims que es fan servir en els immunoassaigs actuals.