Nanostructures for biodetection: synthesis, surface functionalization, and application in the diagnosis of cardiovascular diseases

Abstract

Cardiovascular diseases are the major cause of death worldwide. Their diagnosis and prognosis elapse from the analysis of cardiovascular biomarkers. The current methods used to detect these biomarkers are complex, timeconsuming, and represent a high cost. Gold and iron oxide nanoparticles have attractive characteristics for developing detection strategies, such as the localized surface plasmon resonance band and the magnetic properties which allow the recovery of nanoparticles in solution, respectively. In this work, new methods were developed aiming to decrease the time to result, complexity, and cost of the analysis. Gold and iron oxide nanoparticles were employed in the optical detection of C-reactive protein (CRP), galectin-3 (Gal-3), and N-terminal pro brain natriuretic peptide (NT-proBNP). The surface of the nanoparticles was modified to confer specificity for detecting the biomarkers in biofluids. Aptamer-modified gold nanoparticles were used for detecting CRP and NT-proBNP. The interaction of the aptamer with the biomarker led to the aggregation of gold nanoparticles in the presence of NaCl. The aggregation ratio was monitored by VIS spectroscopy and could be correlated with the concentration of biomarkers. Another CRP detection strategy consisted of a dynamic light scattering–based assay using magnetic iron oxide nanoparticles modified with amino carboxylate moieties. A correlation between the hydrodynamic diameter of the nanoparticles and CRP concentration was found. Naked-eye detection of Gal-3 was achieved using gold nanoparticles covalently modified with a specific antibody. The presence of Gal-3 led to a decrease in interparticle distance and caused the aggregation of nanoparticles. The produced detection methods were tested in different biofluids (urine, saliva, and fetal bovine serum). From all, the detection methods for CRP and Gal-3 showed high selectivity to proteins present in saliva and fetal bovine serum. The interference of unspecific proteins in the detection of NT-proBNP with gold nanoparticles was observed. Subsequently, the interaction of gold nanoparticles with different morphologies and cappings and the proteins in saliva and urine was investigated. Different methods were produced for detecting CRP, Gal-3, and NTproBNP using modified gold and iron oxide nanoparticles. Although further research is still required, the strategies developed are very promising, with time to result ranging from 5 to 60 minutes, simple accomplishment, and an estimated total cost inferior to, at least one-half of the cost of a commercial kit for the same biomarkers.

As doenças cardiovasculares são a maior causa de morte no mundo. O diagnóstico e prognóstico destas doenças decorre da análise de biomarcadores cardiovasculares. Os métodos existentes para a deteção destes biomarcadores são complexos, demorados e têm um custo elevado. As nanopartículas de ouro e de óxido de ferro possuem características atrativas para o desenvolvimento de estratégias de deteção como a banda de ressonância de plasmão localizado de superfície, e, as propriedades magnéticas que permitem a recolha das mesmas em solução, respetivamente. Neste trabalho desenvolveram-se novos métodos de deteção com o objetivo de diminuir o tempo de deteção, a complexidade e o custo do mesmo. As nanopartículas de ouro e óxido de ferro foram usadas na deteção da proteína C-reactiva (CRP), galectina-3 (Gal-3) e do fragmento do peptídeo natriurético do tipo b (NT-proBNP). Nas estratégias desenvolvidas a superfície das nanopartículas foi modificada para garantir a especificidade das nanopartículas para a deteção dos biomarcadores na presença de biofluídos. Nanopartículas de ouro foram modificadas com aptâmeros específicos para a deteção de CRP e NT-proBNP. A interação do aptâmero com o biomarcador, levou à agregação das nanopartículas de ouro na presença de NaCl. As razões de agregação estabelecidas foram monitorizadas por espectroscopia de UV-VIS e correlacionadas com as concentrações dos biomarcadores. Outra estratégia de deteção da CRP, consistiu num método baseado na dispersão dinâmica de luz utilizando nanopartículas de óxido de ferro modificadas com grupos amina e carboxilo. Observou-se uma correlação entre o diâmetro hidrodinâmico das nanopartículas e a concentração de CRP. A deteção por olho nú da Gal-3 foi alcançada utilizando nanopartículas de ouro modificadas covalentemente com um anticorpo específico. A presença da Gal-3 levou à diminuição da distância entre partículas, causando a sua agregação. Os métodos de deteção desenvolvidos foram testados em diferentes biofluídos (urina, saliva e soro fetal bovino). Destes métodos, os da deteção da CRP e o da Gal-3 demonstraram elevada seletividade a proteínas presentes na saliva ou soro fetal bovino. A interferência de proteínas não específicas à superfície das nanopartículas de ouro foi observada na deteção do NT-proBNP. Consequentemente, investigou-se a interação das nanopartículas de ouro com diferentes morfologias e agentes estabilizadores com proteínas presentes na urina e saliva. Diferentes métodos foram desenvolvidos para a deteção da CRP, galectina-3 e NT-proBNP utilizando nanopartículas de ouro e de óxido de ferro modificadas. Embora seja necessário continuar a investigação realizada, as estratégias desenvolvidas são promissoras, com tempos de deteção entre os 5 e os 60 minutos, de simples execução e com um custo final estimado inferior, a pelo menos, metade do verificado em kits comerciais para os mesmos biomarcadores.