Disposable immunosensor for diagnosis of Human Cytomegalovirus infection

• Author(s): Silva, Hugo Flávio Cunha da
• Date: 2014
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.6/5633
• Origin: uBibliorum
• Subject(s): Antibody Immobilization; Boronic Acid.; Diazonium Salts; Glutaraldehyde; Human Cytomegalovirus; Immunosensor
• Document Type: Master thesis
• Language: English
• Advisor(s): Cabral, Ana Cristina Mendes Dias; Martínez, María Julia Arcos
• Contributor(s): uBibliorum

Description

Human Cytomegalovirus (HCMV) is a herpes virus that establishes a lifelong latent infection which, in most of the immunocompetent individuals is normally subclinical. Severe infections occur more frequently in immunocompromised ones, or those with immature immune system, for which can be fatal. Glycoprotein B (gB) is the dominant antigen of HCMV envelope being regarded as a promising component in the establishment of new diagnostic tests. Nowadays there are several diagnosis methods, however, these are expensive, or/and require long time to perform, or/and need skilled operators, or even leads to the possibility of false results. So, in previously work, a disposable immunosensor was developed based on electrochemical silver oxidation as response for gB concentration increasing, using screen-printing carbon electrodes. This method allows a faster and inexpensive way to detect that viral protein. Despite that, a lack on device reproducibility and sensitivity, due to the randomly antibody adsorption was found. It is known that the oriented immobilization has become critical for optimized antigen detection on solid surfaces; therefore, those results lead us to employ other immobilization techniques to improve the immunosensor performance. In this work the immobilization of antibodies was carried out through glutaraldehyde cross-linking, by covalent immobilization using diazonium salts and finally by using the boronic acid affinity towards the carbohydrate present on the antibody molecules. The results were conclusive only for the cross-linking, which has disadvantages when compared with adsorption. Additionally, the importance of the gB on diagnosis tests for HCMV, lead us to study its isolated electrochemical behavior. Questionable results were found demonstrating the impossibility of its use in the determination of gB in biological samples.

O Citomegalovírus humano (HCMV) é um herpes vírus que pode originar infeções primárias, a partir das quais a reativação poderá ser frequente. Quando os hospedeiros deste agente viral são indivíduos imunocompetentes, é geralmente associada uma latência do HCMV que eventualmente poderá resultar em sintomas subclínicos. No entanto, em indivíduos imunocomprometidos, tais como os portadores do vírus da imunodeficiência humana (HIV) e os sujeitos a terapêuticas imunossupressoras ou ainda em indivíduos cujo sistema imune é imaturo, como é o caso de fetos e recém-nascidos, a infeção adquire proporções graves, podendo resultar na morte dos mesmos. Este vírus apresenta um invólucro rico em proteínas virais das quais a glicoproteína B (gB) se destaca, pois está presente em aproximadamente 100% dos indivíduos infetados, sendo também reconhecida por desencadear a produção de anticorpos neutralizantes que levam à eliminação das células infetadas. Assim, esta proteína pode ser vista como um componente essencial no diagnóstico da infeção por HCMV. A definição de um diagnóstico ideal para o HCMV tem sido difícil de implementar devido às desvantagens apresentadas pelos métodos existentes, que se baseiam em informações clinicas e imunológicas. Definido como método convencional, o isolamento do vírus em culturas de fibroblastos, obtido a partir de biópsias ou de fluidos dos hospedeiros, tem associadas as desvantagens de exigir assepsia total e longos períodos de tempo para a sua execução. Para contrapor as dificuldades desta técnica, um método idêntico, o “Shell-vial”, reduz o tempo do ensaio através de um passo de centrifugação que aumenta a penetração do HCMV nos fibroblastos, que por sua vez pode ser avaliada por imunofluorescência. No entanto, o sucesso deste método continua a depender das condições assépticas usadas. Por outro lado, o PCR (“Polimerase Chain Reaction”), analisa amostras clínicas com uma rápida performance e elevada sensibilidade, conseguida na amplificação de ADN viral. Contudo, o elevado custo e a dificuldade de realização contrapõem-se ao seu uso como técnica de diagnóstico corrente. Outra técnica, ELISA (“Enzyme-Linked Immunosorbent Assay”), deteta a presença de anticorpos específicos no sangue, o que pode levar a falsos positivos devido a reações cruzadas com o fator reumatoide, anticorpos antinucleares e outros membros da família herpesviridae. Usado para medir a afinidade e avidez do anticorpo para o antigénio viral, o “Western Blotting” apresenta uma baixa disponibilidade comercial conjugada também com a possibilidade de falsos positivos. Por último, testes citológicos/histológicos permitem observar inclusões virais em biópsias de tecidos do hospedeiro, contudo apresentam igualmente uma baixa sensibilidade tendo apenas 50% de sucesso na identificação de falsos negativos. Todos os métodos têm associadas desvantagens quanto a falsos resultados, ou equipamentos e/ou procedimentos caros, que podem estar ou não relacionados a uma difícil manipulação e elevado tempo de realização. Desta forma, para contrariar estes inconvenientes, num estudo anteriormente realizado neste grupo de investigação, foi desenvolvido um imunossensor eletroquímico descartável para a deteção do HCMV, tendo por base uma imunorreação do tipo sandwich na qual o anticorpo secundário estava marcado com nanopartículas de ouro (AbNPs). Esta marcação permitiu a posterior deposição catalítica de nanopartículas de prata (AgNPs), que geraram um sinal eletroquímico na sua redissolução anódica por voltametria de pulso diferencial. O uso de elétrodos serigrafados (SPEs) como base para o immunosensor, acrescenta vantagens tais como a miniaturização, baixo custo, versatilidade e principalmente a possibilidade de uso como “point of care”. Adicionalmente, a facilidade de produção destes dispositivos por impressão sequencial de camadas de tintas, oferece vantagens na manipulação de padrões e geometrias conforme o pretendido. O maior desafio na construção deste tipo de biossensores, passa pela imobilização dos anticorpos na superfície dos elétrodos. Está descrito na literatura que a imobilização de anticorpos de forma orientada resulta numa melhor exposição dos locais de ligação aos antigénios, exibindo melhores capacidades de ligação e posterior deteção dos mesmos. De facto, foram detetadas algumas limitações relacionadas com este passo de construção do imunossensor, uma vez que os anticorpos anti-HCMV se encontravam adsorvidos de uma forma aleatória na superfície do elétrodo de trabalho. Desta forma, as moléculas de anticorpo apresentam uma orientação nem sempre ideal afetando a reprodutibilidade e a sensibilidade do dispositivo na resposta a concentrações de gB do HCMV. Assim, com o objetivo de melhorar as características do immunosensor descartável, neste trabalho foram aplicadas várias técnicas para a imobilização dos anticorpos anti-HCMV, tais como a reticulação, imobilização covalente através de sais de diazónio e por último usando a afinidade do ácido borónico para os açúcares presentes nas moléculas de anticorpo. O glutaraldeído, usado como agente reticulante, permitiu a imobilização das moléculas de anticorpo anti-HCMV na superfície dos SPEs. O sistema mostrou responder às concentrações incubadas de gB, levando a respostas dependentes das mesmas. Comparativamente aos resultados obtidos para a adsorção, a reticulação demonstrou ter associadas algumas desvantagens em termos de reprodutibilidade e de sensibilidade, devido à imposição da ligação dos anticorpos pelos domínios de ligação ao antigénio. Por outro lado, em condições favoráveis, a adsorção pode resultar numa orientação favorável dos anticorpos, uma vez que as moléculas têm a liberdade para se adaptarem à superfície pela conjugação de diversos fatores, nomeadamente a sua reorientação favorável na zona de saturação. Quanto à imobilização covalente foram encontradas interferências na ativação da superfície dos elétrodos. As vias condutoras de prata presentes nos elétrodos serigrafados geram uma espécie desconhecida de prata que impossibilita o estudo da eficiência de imobilização, levando a uma incompatibilidade com o método de deteção usado no imunossensor. Por fim, uma primeira abordagem foi realizada para a imobilização dos anti-HCMV através da afinidade do ácido borónico para os resíduos de açúcar presentes na estrutura dos anticorpos. Os resultados preliminares demonstraram ser promissores para uma futura aplicação neste imunossensor. Finalmente, a reconhecida importância da gB no diagnóstico do HCMV remeteu-nos para o estudo do seu comportamento eletroquímico. Este estudo permitiu ainda inferir sobre a possibilidade de esta proteína viral interferir no sinal obtido durante a redissolução anódica das AgNPs no immunosensor. A análise foi primeiramente conduzida em SPE, os quais não possibilitaram a procura de um sinal associado à gB, permitindo no entanto concluir que não há interferência desta molécula no imunoensaio. Quando aplicado num sistema eletroquímico convencional, a gB gerou um sinal em meio tamponado, o que não se confirmou quando aplicado a amostras reais (urina).