Superando desafios em biossensores plasmônicos : novas estratégias de biofuncionalização e miniaturização do transdutor para o diagnóstico de doenças tropicais negligenciadas

Abstract

Resumo: As doenças tropicais negligenciadas (DTNs) permanecem como um dos maiores desafios em saúde pública, especialmente em regiões com infraestrutura limitada, onde o acesso a métodos diagnósticos sensíveis, rápidos e acessíveis ainda é restrito. Nesse cenário, os biossensores despontam como alternativas promissoras, capazes de oferecer análises precisas diretamente no local de atendimento. Esta tese teve como objetivo investigar e otimizar diferentes estratégias de construção de biossensores, baseados principalmente na Ressonância Plasmônica de Superfície (SPR), visando o sorodiagnóstico de DTNs. Inicialmente, foram avaliados novos biorreceptores, incluindo peptídeos sintéticos (PEP13 e PEP16) e a proteína quimérica multiepítopo PQ20, que demonstraram elevado potencial analítico, com limites de detecção menores que 10 nmol L-1 e boa capacidade de classificação de amostras clínicas. A integração de dados de SPR com inteligência artificial, especificamente Mapas Auto-Organizáveis (SOM), possibilitou uma melhor compreensão da cinética da interação biomolecular explorada e uma classificação aprimorada de amostras de soro canino não diluídas em comparação com a análise univariada, resultando em 92,8% de sensibilidade e 90,9% de especificidade (n = 26 amostras). Além disso, as plataformas se mantiveram estáveis por pelo menos 7 dias quando mantidas refrigeradas. Na etapa seguinte, explorou-se uma plataforma plasmônica tridimensional baseada em quitosana tiolada, visando uma imobilização eficiente de antígenos recombinantes. A formação do filme polimérico foi amplamente estudada por técnicas eletroquímicas (EIS, CV, SWV), ópticas (SPR, Raman, FTIR) e microscópicas (AFM), permitindo compreender a influência do material na imobilização de biorreceptores proteicos e no respectivo reconhecimento molecular. Para compreender melhor o funcionamento da plataforma proposta, modelagens cinéticas foram realizadas, permitindo uma avaliação mais aprofundada do sistema explorado. A utilização da quitosana modificada resultou em dispositivos capazes de classificar corretamente pacientes saudáveis ou não para dengue, atingindo limites de detecção na faixa nmol L-1. Além disso, os dispositivos demonstraram compatibilidade com experimentos realizados em equipamento portátil de SPR, aproximando esses sensores de aplicações práticas. Por fim, demonstraram-se perspectivas em estratégias anti-incrustantes para minimizar interferências de matrizes complexas, avaliando monocamadas mistas e propondo um revestimento inovador com a macromolécula lubricina, capaz de reduzir adsorções inespecíficas e melhorar a seletividade na quantificação do fator de crescimento neural em meio de cultura, como prova de conceito em imunossensor eletroquímico. Em conjunto, os resultados demonstram avanços significativos que contemplam as etapas fundamentais envolvidas na construção de biossensores, incluindo escolha do biorreceptor, estratégias de imobilização, controle de bioincrustação e miniaturização de dispositivos. As soluções apresentadas nesta tese aproximam o biossensoriamento de aplicações reais em cenários de maior complexidade, reforçando a importância de metodologias rápidas, precisas e economicamente viáveis para o diagnóstico de doenças infecciosas negligenciadas

Abstract: Neglected tropical diseases (NTDs) remain one of the greatest challenges in public health, especially in regions with limited infrastructure, where access to sensitive, rapid, and affordable diagnostic methods is still restricted. In this context, biosensors have emerged as promising alternatives capable of providing accurate analyses directly at the point of care. This thesis aimed to investigate and optimize different strategies for building biosensors, mainly based on Surface Plasmon Resonance (SPR), for the serodiagnosis of NTDs. Initially, new bioreceptors were evaluated, including synthetic peptides (PEP13 and PEP16) and the chimeric multiepitope protein PQ20, which demonstrated high analytical potential, with detection limits below 10 nmol L-1 and good classification performance for clinical samples. The integration of SPR data with artificial intelligence, specifically Self-Organizing Maps (SOM), enabled a better understanding of the kinetics of the biomolecular interaction explored and improved the classification of undiluted canine serum samples compared to univariate analysis, resulting in 92.8% sensitivity and 90.9% specificity (n = 26 samples). In addition, the platforms remained stable for at least 7 days when stored under refrigeration. In the following stage, a three-dimensional plasmonic platform based on thiolated chitosan was explored, aiming at efficient immobilization of recombinant antigens. The formation of the polymeric film was extensively investigated using electrochemical (EIS, CV, SWV), optical (SPR, Raman, FTIR), and microscopic (AFM) techniques, allowing a comprehensive understanding of the influence of the material on protein bioreceptor immobilization and the corresponding molecular recognition. To further elucidate the functioning of the proposed platform, kinetic modeling was performed, providing a deeper evaluation of the system under study. The use of modified chitosan resulted in devices capable of correctly classifying healthy and non-healthy patients for dengue, reaching detection limits in the nmol L-1 range. Moreover, these devices demonstrated compatibility with experiments conducted on a portable SPR instrument, bringing these sensors closer to practical applications. Finally, perspectives on antifouling strategies were demonstrated to minimize interference from complex sample matrices, including the evaluation of mixed self-assembled monolayers and the proposal of an innovative coating based on the macromolecule lubricin, capable of reducing nonspecific adsorption and improving selectivity in the quantification of nerve growth factor in culture medium, as a proof of concept in an electrochemical immunosensor. Taken together, the results demonstrate significant advances that encompass the fundamental steps involved in biosensor construction, including bioreceptor selection, immobilization strategies, antifouling control, and device miniaturization. The solutions presented in this thesis bring biosensing closer to real-world applications in more complex scenarios, reinforcing the importance of rapid, accurate, and cost-effective methodologies for the diagnosis of neglected infectious diseases