Paper-based sensors for the rapid detection of pathogens and biomarkers indicative of lower respiratory tract infections

Abstract

[eng] Lower respiratory tract infections (LRTIs) are among the leading causes of morbidity and mortality worldwide, underscoring the need for rapid, sensitive, and cost-effective diagnostic tools. The conventional methods for diagnosing LRTIs imply long processing times, sophisticated techniques and/or specialised laboratory facilities, limiting their accessibility and effectiveness for timely diagnosis. This Doctoral Thesis introduces a novel biosensor design as a valuable alternative solution for the clinical diagnosis of LRTIs. This Thesis explores the development of biosensors based on paper and antibody-functionalized gold nanoparticles, designed for the rapid detection of pathogens and specific biomarkers in sputum, which is the commonest clinical sample of the low respiratory tract. It introduces a competitive paper-based immunosensor for pyocyanin detection and a multi-range sensor for detecting a wide range of bacteria loads, which both offer direct, sensitive and rapid analysis of these targets in sputum. Along the Thesis, the manufacturing of the sensors, specific target detection and the effect of the sputum matrix in their performance have been thoroughly evaluated and optimised, allowing for the detection of biomarkers and bacteria in sputum with high specificity and within clinically relevant ranges. The work in this Thesis opens the door to innovative analytical approaches for a more effective diagnosis of lower respiratory tract infections, overcoming the limitations of traditional analytical techniques and exhibiting significant potential for their implementation in point-of-care (POC) devices applicable in actual clinical practice.

[cat] Les infeccions del tracte respiratori inferior (LRTIs, per les seves sigles en anglès) són una de les principals causes de morbiditat i mortalitat a nivell mundial, el que ressalta la necessitat d'eines de diagnòstic que siguin ràpides, sensibles i assequibles. Els mètodes convencionals per diagnosticar LRTIs solen implicar llargs temps de processament i requereixen tècniques complexes i laboratoris especialitzats, el que limita la seva accessibilitat i efectivitat per a un diagnòstic oportú. Aquesta Tesi Doctoral presenta una nova gamma de biosensors amb un disseny innovador com una valuosa alternativa per al diagnòstic clínic de les LRTIs. Aquesta Tesi explora el desenvolupament de biosensors basats en paper i nanopartícules d'or funcionalitzades amb anticossos, dissenyats per a la detecció ràpida de patògens i biomarcadors específics en esput, que és la mostra més comú del tracte respiratori inferior. En concret, s'ha desenvolupat un biosensor competitiu basat en paper per a la detecció de piocianina i un sensor multi-rang per detectar bacteris en un ampli rang de concentracions, ambdós oferint una anàlisi directa, sensible i ràpida d'aquests analits en esput. Al llarg de la Tesi, s'han avaluat i optimitzat rigorosament els processos de fabricació dels sensors, la detecció dels analits específics i l'efecte de la matriu de l'esput en el rendiment dels sensors, permetent la detecció de biomarcadors i bacteris en esput amb alta especificitat i dins els rangs clínicament rellevants. El treball presentat en aquesta Tesi proporciona una nova gamma de dispositius analítics que permeten un diagnòstic de les infeccions del tracte respiratori inferior més eficaç, superant les limitacions de les tècniques analítiques tradicionals i mostrant un potencial significatiu per implementar-lo a plataformes analítiques en el punt d’atenció mèdica (POC, per les sigles en anglès) aplicables a la pràctica clínica real.

[spa] Las infecciones del tracto respiratorio inferior (LRTIs, por sus siglas en inglés) están entre las principales causas de morbilidad y mortalidad a nivel mundial, lo que resalta la necesidad de herramientas de diagnóstico que sean rápidas, sensibles y asequibles. Los métodos convencionales para diagnosticar LRTIs suelen implicar largos tiempos de procesamiento y requieren técnicas complejas y laboratorios especializados, lo cual limita su accesibilidad y efectividad para un diagnóstico oportuno. Esta Tesis Doctoral presenta una nueva gama de biosensores con un diseño innovador como una valiosa alternativa para el diagnóstico clínico de las LRTIs. La presente Tesis explora el desarrollo de biosensores basados en papel y nanopartículas de oro funcionalizadas con anticuerpos, diseñados para la detección rápida de patógenos y biomarcadores específicos en esputo, que es la muestra más común del tracto respiratorio inferior. En concreto, se ha desarrollado un biosensor competitivo en papel para la detección de piocianina y un sensor multi-rango para detectar bacterias en un amplio rango de concentraciones, ambos ofreciendo un análisis directo, sensible y rápido de estos analitos en esputo. A lo largo de la Tesis, se han evaluado y optimizado rigurosamente los procesos de fabricación de los sensores, la detección de los analitos específicos y el efecto de la matriz del esputo en el rendimiento de los sensores, permitiendo la detección de biomarcadores y bacterias en esputo con alta especificidad y dentro de rangos de concentración clínicamente relevantes. El trabajo presentado en esta Tesis proporciona una nueva gama de dispositivos analíticos que permiten un diagnóstico de las infecciones del tracto respiratorio inferior más eficaz, superando las limitaciones de las técnicas analíticas tradicionales y mostrando un potencial significativo para su implementación en plataformas analíticas en el punto de atención médica (POC, por sus siglas en inglés) aplicables en la práctica clínica real.