Desenvolvimento de biossensores eletroquímicos para quantificação de biomarcadores de doenças endêmicas utilizando nanomateriais como plataforma de ancoramente

Abstract

Resumo: Biossensores se tornaram ferramentas importantes na química analítica, e as aplicações na determinação de biomarcadores de doenças tem chamado atenção pela importância da aplicação e compatibilidade com as técnicas eletroquímicas. Com o avanço do conhecimento sobre o sistema imune, caracterização e produção de biomoléculas, foram desenvolvidos proteínas recombinantes, peptídeos e aptâmeros, que são utilizados como substitutos de estruturas importantes para a construção de biossensores, como antígeno ou anticorpo. Esses materiais são mais acessíveis e facilitam a formação da camada seletiva em biossensores, principalmente quando aliados a nanopartículas. As nanopartículas apresentam diversas vantagens quando aplicados em sensores, como alta área superficial, funcionalização e versatilidade no desenvolvimento de métodos. Assim, o presente projeto explora a aplicabilidade de nanopartículas de ouro e de carbono no desenvolvimento de biossensores para quantificar biomarcadores do AIDS e Covid- 19. A quantificação da p24 do HIV foi alcançada através do desenvolvimento de um eletrodo modificado com grafeno quantum dots e aptâmeros que tem afinidade pela proteína alvo. As nanopartículas foram eletrodepositadas no eletrodo e a camada seletiva formada através da ligação covalente entre o aptâmero e as nanopartículas. O eletrodo apresentou alta seletividade, uma região linear entre 0,93 ng mL-1 e 93 µg mL-1, com uma sensibilidade de 1,293 µA dec-1 e limite de quantificação de 930 pg mL-1. O aptassensor foi aplicado na diferenciação de amostras de soro negativas e fortificadas com a p24-HIV, mostrando aplicabilidade em condições reais de diagnóstico. Já a quantificação de anticorpos anti-proteína S do SARS-CoV-2 foi alcançada através da modificação de nanopartículas de ouro com peptídeos que simula um fragmento da proteína S. A modificação da nanopartícula melhorou a interação com o eletrodo e permitiu a adsorção das nanopartículas para a formação da camada seletiva. O eletrodo respondeu linearmente para concentrações de anticorpo entre 15 µg mL-1 e 75 ng mL-1, com uma sensibilidade de 1,059 µA dec-1 e limite de quantificação de 75 ng mL-1. O sensor foi aplicado em amostras de soro negativas e fortificadas, apresentando um desvio do esperado em matrizes complexas, mas mostrando alta potencialidade através de um método de construção simples.

Abstract: Biosensors have become important tools in analytical chemistry, and applications in the determination of disease biomarkers have drawn attention due to the importance of application and compatibility with electrochemical techniques. With the advancement of knowledge about the immune system, characterization and production of biomolecules, recombinant proteins, peptides and aptamers were developed, which are used as substitutes of important structures for the construction of biosensors, such as antigen or antibody. These materials are more accessible and facilitate the formation of the selective layer in biosensors, especially when combined with nanoparticles. Nanoparticles have several advantages when applied to sensors, such as high surface area, functionalization and versatility in method development. Thus, the present project explores the applicability of gold and carbon nanoparticles in the development of biosensors to quantify biomarkers of AIDS and Covid-19. The quantification of HIV p24 was achieved through the development of an electrode modified with graphene quantum dots and aptamers that have affinity for the target protein. The nanoparticles were electrodeposited on the electrode and the selective layer formed through the covalent bond between the aptamer and the nanoparticles. The electrode showed high selectivity, a linear region between 0.93 ng mL-1 and 93 µg mL-1, with a sensitivity of 1.293 µA dec-1 and limit of quantification of 930 pg mL-1. The aptasensor was applied in the differentiation of negative serum samples and fortified with p24-HIV, showing applicability in real diagnostic conditions. The quantification of antibodies anti-protein S of SARS-CoV-2 was achieved through the modification of gold nanoparticles with peptides that simulate a fragment of protein S. The modification of the nanoparticle improved the interaction with the electrode and allowed the adsorption of the nanoparticles for the formation of the selective layer. The electrode responded linearly to antibody concentrations between 15 µg mL-1 and 75 ng mL-1, with a sensitivity of 1.059 µA dec-1 and limit of quantification of 75 ng mL- 1. The sensor was applied to negative and fortified serum samples, showing a deviation from the expected in complex matrices, but showing high potential through a simple construction method.