Nanoparticle-based (Bio)sensors: blowing tailwinds of information to wellness and healthcare

Rui Pedro Oliveira Silva

Informações chave

Autores:

Rui Pedro Oliveira Silva (Rui Pedro Oliveira Silva)

Orientadores:

Duarte Miguel De França Teixeira dos Prazeres (Duarte Miguel De França Teixeira dos Prazeres); Nuno João de Oliveira e Silva (João Nuno De Oliveira e Silva)

Publicado em

30/11/2022

Resumo

O processo de recolha informação e sua conversão em conhecimento é um passo crucial para avaliar o estado de determinado sistema. A medicina moderna não é exceção a esta premissa. Por este motivo, a utilização e desenvolvimento de (Bio)ssensores está intimamente ligada com a capacidade de recolher informação relevante sobre o estado de saúde de um paciente, permitindo uma resposta adequada e “educada”. Neste âmbito, esta tese focou-se no desenvolvimento de (bio)ssensores com potencialidade para serem integrados em diagnóstico médico e controlo de processo e/ou tratamentos. Aqui é apresentado o design e desenvolvimento experimental e três conceitos de (Bio)ssensores independentes: • Um nanotermómetro composto de Seleneto de Ferro (Fe3Se4) com propriedades de magnetos duros foi preparado e testado como porta-lógica não-volátil. Simultaneamente estes nanodiscos apresentam uma transição magnética abrupta em torno dos 42˚C. Procedente das suas propriedades magnéticas peculiares, as nanoplacas foram capazes de determinar a ocorrência de sobreaquecimento durante tratamentos de hipertermia in vitro utilizando como modelo uma linha celular de cancro da próstata (PC-3). • Um plasmóforo constituído por nanoprismas triangulares de prata revestida a ouro (Ag@Au NTs) que operam como nanoantena ótica para a emissão do fluoróforo ATTO655 na deteção de ácidos nucleicos foi desenvolvido. As propriedades óticas do nanomaterial híbrido resultante foram caracterizadas utilizando microscopia por tempos de vida de fluorescência em modo confocal. Assim, foi possível verificar que o nanohíbrido possuía uma emissão 1000 vezes superior à emissão de um fluoróforo individual. • Por fim, nanobastonetes de ouro (AuNRs) foram aplicados na determinação de atividade proteolítica em tempo-real sob microscopia de campo escuro. O corte da camada peptidíca existente à superfície dos AuNRs induz uma alteração no índice de refração local que é sondado pela alteração das propriedades óticas dos AuNRs. O biossensor resultante possibilita observação de partícula individual com possibilidade de mapeamento espacial. Também, permite a monitorização da atividade proteolítica com uma resolução temporal na ordem das centenas de milissegundos e ao longo de três ordens de magnitude de concentração desde 1 até 300 nanomolar. Idealmente é desejado que os princípios subjacentes aos (bio)ssensores desenvolvidos no contexto desta tese possam contribuir significativamente na área de sensores e em conceitos como o de medicina P4 por facilitação do acesso a informação previamente inatingível sobre a ocorrência de eventos discretos no tempo ou por monitorização continua do processo. The process of gather, analyze, and convert information into knowledge is a crucial step to assess the state of a system. Modern medicine is not an exception to this premise, and therefore the usage and development of (bio)sensors as a tool to harvest information about a patient’s health condition is critical to enable adequate response. Hence, the scope of this thesis is to push the limits of (bio)sensors by exploring the features of nanomaterials. To do so, I explored three independent concepts: • A magnetic thermometer resorting to nanoparticles with a sharp magnetic transition around 42˚C was prepared and tested as a non-volatile logic-gate. The Iron Selenide (Fe3Se4) nanoplatelets determined the occurrence of temperature overshoots during hyperthermia treatments in vitro using a prostate cancer (PC-3) cell line as a model. • A plasmophore composed of gold-coated silver triangular nanoprisms (Ag@Au NTs) operates as support and optical antenna for ATTO-655. The ability and efficiency to detect nucleic acid sequences using the fluorescent nanocomposite was assessed. Confocal fluorescence lifetime microscopy characterized the optical properties of the hybrid constructions, unveiling that emission from a single nano-object is a 1000-fold brighter than that from a single dye label. • For last, dark-field microscopy was employed to determine proteolytic activity in realtime at a single particle level. The particle’s optical response is monitored as the cleavage of the peptide layer on the AuNRs’ surface by the protease induces changes in the local refractive index. With hundreds of milliseconds of time resolution, this design rendered powerful insights about the kinetics of the reaction. Also, the ratio between two competitive mechanisms – peptide cleavage and non-specific adsorption – enabled to overcome the non-trivial response of the substrate-limited sensor. Quantification of active enzyme over three orders of magnitude as working range with detection limits of a few nanomolar was achieved. Overall, I aspire that the principles underlying the (bio)sensors developed within the framework of this thesis can significantly contribute to fields and concepts such as P4 medicine by enabling access, either discretely in time or through continuous monitorization, to information previously considered unattainable.