Design and development of paper-based analytical devices for colorimetric and electrochemical determination of glycans and glycoproteins with health significance

Resumo

La transferrina (Tf) es una glicoproteína que ha recibido mucha atención, debido a que es un biomarcador de enfermedades relacionadas con el metabolismo del hierro en el organismo, como la deficiencia (anemia) o el exceso de hierro (intensidad del daño cerebral inducido por isquemia), entre otras, además de ser la responsable de transportar el hierro en el cuerpo. En este sentido, el porcentaje de saturación de transferrina (TSAT), es decir, la cantidad de Fe (III) unido a Tf respecto a su capacidad total de unión al hierro (TIBC), se considera un biomarcador importante del estado general del hierro corporal. Por su parte, la lactosa es un glicano de extraordinaria importancia dado que es el principal carbohidrato de la leche y, en consecuencia, de los productos lácteos. Lamentablemente, más del 70 % de la población mundial padece intolerancia a la lactosa, por lo que conocer la concentración de este glicano es necesario, ya que puede derivar en enfermedades gastrointestinales o trastornos metabólicos. Debido a la importancia significativa de ambas (bio)moléculas y que tradicionalmente su análisis se lleva a cabo en laboratorios centralizados con una instrumentación sofisticada, empleando tiempos de análisis largos y conllevando costes elevados, resulta preciso el desarrollo de nuevas aproximaciones analíticas capaces de detectar y monitorizar estos biomarcadores de una manera rápida y cerca del punto de atención (POC) o del punto de necesidad (PON), debido a que es de vital importancia para un diagnóstico precoz. En este sentido, los dispositivos analíticos basados en papel (PADs) constituyen excelentes herramientas analíticas que cumplen con los requerimientos de selectividad y sensibilidad, presentan capacidades para el análisis multiplexado e in situ y se caracterizan por su miniaturización inherente para el desarrollo de dispositivos POC/PON. Además, los PADs poseen otras ventajas como portabilidad, simplicidad operativa, biocompatibilidad, bajo coste, desechabilidad, consumo mínimo de reactivos, y control espacial de fluidos sin necesidad de fuerzas impulsoras externas gracias a su efecto capilar, todo ello integrado en diseños analíticos para tal fin. Por todo ello, el objetivo central de esta Tesis Doctoral ha sido el diseño, desarrollo y validación analítica de PADs con detección colorimétrica y/o electroquímica para el análisis rápido y fiable de glicoproteínas (Tf) y glicanos (lactosa) con elevada importancia en la salud, en aras de obtener dispositivos POC para el diagnóstico precoz de enfermedades o PON para la detección de estos glicanos en otros campos de la salud. En primer lugar, se ha diseñado y desarrollado un PAD colorimétrico de bajo coste para la determinación de hierro sérico en muestras de suero utilizando un teléfono inteligente como lector de color. Además, también se ha demostrado la integración de la calibración y el análisis del hierro sérico en el mismo PAD. En segundo lugar, se ha adaptado el PAD colorimétrico desarrollado para la evaluación del biomarcador TSAT en muestras de suero y de pacientes infartados a través de la medida simultánea de sus dos parámetros (hierro sérico y TIBC) en el mismo PAD. En tercer lugar, como enfoque alternativo, se ha desarrollado un dispositivo analítico microfluídico basado en papel (μPAD) con detección dual, colorimétrica (integrando todos los reactivos necesarios para la detección de hierro) y electroquímica (explotando la electroactividad inherente del Tf), que ha permitido la evaluación de TSAT también en muestras de suero y de pacientes infartados de una manera sencilla y fiable. Finalmente, se ha desarrollado un dispositivo analítico electroquímico basado en papel (ePAD) para cuantificar la lactosa y el contenido total de azúcares en muestras de leche. En ambos μPAD, los diseños para el análisis permitieron almacenar todos los reactivos necesarios para los ensayos, dando un valor adicional a estos dispositivos desarrollados los cuales permitirán su empleo tecnológico directo en los indicados POC y PON. Se puede concluir que en la presente Tesis Doctoral se ha demostrado a través de las aproximaciones analíticas desarrolladas, el enorme potencial de los PADs con detección colorimétrica y electroquímica para el desarrollo de dispositivos POC/PON miniaturizados, portátiles y fáciles de usar para la determinación fiable de dos biomarcadores de elevada relevancia clínica: Tf y lactosa.