Test-strips for monitoring cancer biomarkers in point-of-care

Abstract

O cancro da mama é a forma de cancro mais prevalente, em mulheres, em todo o mundo, com crescente incidência e mortalidade. Estudos indicam que a sua deteção precoce pode potenciar o efeito da terapia e reduzir a mortalidade. No entanto, as atuais técnicas de diagnóstico apresentam desvantagens, uma vez que requerem equipamentos específicos e profissionais formados para execução da técnica e análise de resultados, sendo bastante dispendiosas e demoradas. Além disso, nos países de baixo rendimento os cuidados de saúde são de difícil acesso e, mesmo em países mais desenvolvidos, as técnicas de diagnóstico não são acessíveis para grupos socioeconómicos desfavorecidos, levando a atrasos na deteção e menores taxas de sobrevivência. Para ultrapassar este problema mundial, é urgente definir um método de deteção de baixo custo, rápido e com elevada sensibilidade e seletividade. Investigadores de todo o mundo têm desenvolvido sensores para deteção de biomarcadores do cancro, devido às suas vantagens, como o custo-benefício, portabilidade, e capacidade multiplex. O papel é uma opção de baixo custo como substrato para a construção de sensores, permitindo o desenvolvimento de um dispositivo de diagnóstico ideal, oferecendo uma resposta qualitativa e quantitativa para o utilizador final, seja o próprio paciente ou um profissional de saúde. Um resultado positivo pode encaminhar o paciente a realizar testes mais específicos para confirmação e identificação do estado da doença. Em combinação com substratos de papel, a deteção ótica é sensível, precisa e rápida. Esta tese focou-se no desenvolvimento de sensores colorimétricos em papel para biomarcadores do cancro. Foi desenvolvido um sensor colorimétrico enzimático para a glicose, como prova de conceito da combinação da deteção colorimétrica num suporte de papel. De seguida, foi produzido um imunossensor para o antigénio cancerígeno 15-3, em papel, e finalmente foi utilizado um polímero de impressão molecular para substituir o anticorpo previamente utilizado. Estes sensores permitiram detetar os alvos dentro dos valores de interesse clínico e demonstraram bom desempenho analítico em soluções tampão e amostras de soro, com uma seletividade aceitável contra interferentes. O conceito destes sensores é passível de ser aplicado a outros biomarcadores do cancro e usado em dispositivos portáteis e de baixo custo especialmente benéficos em países mais desfavorecidos.

Breast cancer is the most common cancer in women worldwide, with increasing incidence and mortality rates. Studies suggest that early cancer diagnosis can improve the effectiveness of therapy and thus reduce mortality rates. However, current diagnostic techniques for detecting breast cancer, have shortcomings. They require sophisticated equipment and trained professionals to perform the technique and analyse the results, which is expensive and time-consuming. Despite this, low- and middle-income countries do not have easy access to healthcare facilities, and even in developed countries, some diagnostic techniques are not affordable for vulnerable populations, resulting in delayed diagnosis and lower survival rates. To solve this problem globally, low-cost, rapid, and highly sensitive and selective methods for early diagnosis are urgently needed. In recent years, researchers worldwide have made efforts to develop sensors for the detection of cancer biomarkers, as they offer several advantages over existing diagnostic methods, such as cost-effectiveness, portability, and multiplexing capability. Paper is a cost-effective option for use as a substrate for sensor construction. Paper-based sensors fulfil the requirements for an ideal screening device as they can provide a qualitative or quantitative response and the end user can be either the patient themselves or a trained or untrained healthcare professional. If the result of the test is positive, the patient can see a doctor who will perform a full screening protocol to determine the stage of the disease. In conjunction with paperbased substrates, the optical detection techniques are sensitive, accurate, rapid, and non-invasive. The aim of this work was to develop colorimetric paper-based sensors for cancer biomarkers. For this purpose, an enzymatic colorimetric sensor for glucose was developed, which served as proof of concept for the conjugation of colorimetric detection onto a paper substrate. Subsequently, an immunosensor was assembled onto the paper substrate for cancer antigen 15-3 detection and finally a synthetic recognition element, a molecularly imprinted polymer, was used to replace the antibody in the previous device. The developed sensors work in the clinical range of the selected targets and showed good performance in both buffer solutions and serum samples, as well as acceptable selectivity towards interfering species that might be present in more complex samples. In addition, the concept of the developed sensors can be extended to other cancer biomarkers and used as point-of-care devices in resource-poor settings.