Merging biosensors and photovoltaic cells for cancer biomarkers detection

Abstract

Cancer diseases are exponentially growing in Portugal throughout the years, reflecting the same scenario as in Europe. Several efforts have been made to minimize cancer incidence, including adopting a healthier behaviour (as vaccination programs and lifestyle adjustments) and early diagnosis of the disease. Currently, the screening of the disease can be performed by monitoring tumour markers (CEA, CA15-3, CA125, CA19-9, PSA, among others) that circulate in the body fluids, as blood and urine. Thus, the development of new analytical tools for detecting these biomarkers in a clinical context is also of growing interest. This PhD thesis aimed to develop low-cost sensing platforms based on newly biomaterials to screen cancer biomarkers in biological samples towards on-site application. For the purpose, different analyte targets were presented herein, including CRT, which is a potential biomarker in ovarian cancer, and CEA, a tumor marker that despite being an indicator of other types of cancer such as breast, pancreas and lung, offers high specificity in colorectal cancer. Distinct approaches were developed for this purpose, based on the design of plastic antibodies by means of molecular imprinting technology, and on antibody-antigen recognition though the development of immunosensors for the detection of colorectal cancer biomarker. The sensing platforms built on a solid conductive glass support (composed by fluorine-doped tin oxide film (FTO)) allowed understanding the interaction between cancer biomarker and the sensing material through electrical signals. In order to allow the portability of these devices, a new approach was proposed in this project, establishing the integration of a sensing platform in a photovoltaic cell, namely in a DSSC, once these cells are capable of generating electrical energy from solar energy. In addition, efforts were made to improve the overall performance of these photovoltaic cells, modifying the DSSCs configuration by introducing metallic nanoparticles, such as gold nanoparticles, in the composition of photoanodes, or even, by the chemical functionalization of the semiconductor material, followed by the metallic nanoparticles binding. In general, the emerging biosensing materials and platforms out coming from this project may contribute for the development of new non-invasive or minimally invasive and self-sustained devices suitable for the early diagnosis of cancer biomarkers in a clinical application.

O cancro é uma doença que tem vindo aumentar de forma exponencial em Portugal ao longo dos anos, à semelhança do que acontece no resto da Europa. Deste modo, diversos esforços têm vindo a ser feitos no sentido de mitigar a sua incidência, entre os quais a adesão a comportamentos saudáveis (programas de vacinação e modificação do estilo de vida) e ao diagnóstico precoce da doença. Atualmente, o rastreio da doença é concretizado através de marcadores tumorais (CEA, CA15-3, CA125, CA19-9, PSA, entres outros), não-invasivos, que circulam no organismo, em fluídos como sangue e urina. Neste sentido, esta tese de doutoramento teve o intuito de desenvolver plataformas sensoras de baixo custo, baseadas em novos biomateriais sensores que facultem o rastreio dos biomarcadores do cancro em amostras biológicas, de forma a serem aplicados num contexto clínico. Para este efeito foram consideradas como moléculas alvo a carnitina (CRT), um potencial biomarcador para o diagnóstico do cancro do ovário, e o antigénio carcinoembrionário (CEA), um marcador tumoral que, apesar de ser indicador de outros tipos de cancro como da mama, do pâncreas e do pulmão, apresenta uma elevada especificidade para o cancro do colorretal. Para a conceção destes biossensores foram concretizadas duas abordagens distintas que se basearam no desenvolvimento de anticorpos plásticos, recorrendo à síntese de polímeros de impressão molecular, e no reconhecimento anticorpo-antigénio, através da construção de imunossensores para a deteção do biomarcador do cancro do colorretal. As plataformas sensoras construídas sobre um suporte sólido de vidro condutor (composto por um filme de óxido de estanho dopado com flúor) permitiram avaliar a interação entre o biomarcador e o material sensor através de sinais de natureza elétrica. De modo a possibilitar a portabilidade destes dipositivos para a deteção de marcadores tumorais, neste projeto foi proposta uma nova abordagem que estabeleceu a integração de uma plataforma sensora numa célula fotovoltaica, nomeadamente, numa célula solar sensibilizada por corante (Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC), uma vez que estas são, por si só, células capazes de gerar energia eléctrica por conversão da energia solar. Também foram realizados esforços no sentido de melhorar o desempenho geral destas células fotovoltaicas, alterando a sua configuração, através da implementação de nanopartículas metálicas, como as nanopartículas de ouro, na constituição do fotoânodo, ou até mesmo através da funcionalização química do material semicondutor que compõe estes fotoânodos e, posterior, ligação a estas nanopartículas metálicas. De uma forma geral, os dispositivos sensores desenvolvidos poderão ser uma ferramenta promissora, de baixo custo e portátil, para um diagnóstico precoce, ou para o acompanhamento e a monitorização terapêutica do cancro, de modo não invasivo ou minimamente invasivo, para aplicação num contexto clínico.