Development of a gold nanoparticle-based lateral flow immunoassay for the de-tection of pepsinogen I

Abstract

Pepsinogen I (PGI) is a clinically relevant biomarker of gastric mucosal atrophy, and a known risk factor for development of gastric cancer. Early detection of increased PGI level enables first-line, non-invasive assessment and screening in both symptomatic and asymptomatic individuals, supporting risk stratification and helping to prioritize patients for further diagnostic investigations. This thesis describes the development of a prototype lateral flow immunoassay (LFIA) for PGI detection, utilizing gold nanoparticles (AuNPs) as visible signal reporters. Due to their simplicity and speed, LFIAs are ideal for point-of-care diagnostics. AuNPs were selected for their optical properties, biocompatibility, and ability to produce signals visible to the naked eye. The assay was developed through systematic optimization of key components, including buffer composition, blocking agents, antibody-nanoparticle conjugation, and membrane and pad materials. The results revealed that 0.01 M Tris is an appropriate conjugation buffer, and that 1% bovine serum albumin (BSA) effectively reduces nonspecific interactions. The prototype generated visible test lines in response to physiologically relevant PGI concentrations. However, saturation effects at concentrations above 136.5 ng/mL limited quantitative interpretations. Further refinement is also needed as to reagent concentrations, conjugation protocols, and the inclusion of well-characterized negative controls.In addition to assay development, this work established a reproducible process flow for designing AuNP-based LFIA prototypes. The methodological framework provides practical guidance for the development of similar assays targeting other analytes. This thesis advances diagnostic research by developing a reader-independent LFIA for pepsinogen I detection utilizing gold nanoparticles, with prospective applications in early screening for gastric atrophy and the associated gastric cancer risk.

Pepsinogeeni I (PGI) on kliinisesti merkittävä biomarkkeri mahalaukun limakalvon atrofialle, joka tunnetaan mahalaukun syövän riskitekijänä. PGI-tasojen varhainen havaitseminen mahdollistaa ensilinjan kajoamattoman arvioinnin ja seulonnan sekä oireellisilla että oireettomilla henkilöillä, tukien riskiluokittelua ja auttaen priorisoimaan potilaita jatkotukimuksia, kuten gastroskopiaa, varten. Tässä diplomityössä kuvataan prototyypin kehittäminen lateraalivirtausimmunoanalyyseille (LFIA) PGI:n havaitsemiseksi kultananopartikkeleita (AuNP) näkyvinä signaalin välittäjinä käyttämällä. LFIAt soveltuvat erityisen hyvin nopeisiin ja yksinkertaisiin analyyseihin. AuNP:t valittiin niiden optisten ominaisuuksien, bioyhteensopivuuden ja silmin havaittavien signaalien tuottamiskyvyn vuoksi.

Analyytti kehitettiin systemaattisesti optimoimalla keskeisiä komponentteja, kuten puskuriliuoksen koostumusta, estoaineita, vasta-aine-nanohiukkaskonjugointia sekä erilaisia näyte- sekä konjugaatiomateriaaleja. Tutkimuksessa havaittiin, että 0,01 M Tris toimii sopivana konjugointipuskurina ja että 1 % naudanseerumin albumiini (BSA) vähentää tehokkaasti ei-spesifisiä vuorovaikutuksia. Prototyyppi tuotti näkyviä testiviivoja fysiologisesti relevanteille PGI-pitoisuuksille, mutta yli 136,5 ng/mL pitoisuuksilla havaittiin kyllästeisyysvaikutuksia, jotka rajoittivat tulosten määrällistä tulkintaa. Jatkokehitystä tarvitaan myös reagenssien pitoisuuksien, konjugointiprotokollien ja hyvin karakterisoitujen negatiivisten kontrollien osalta.

Analyyttisen kehityksen lisäksi työ loi toistettavan prosessikaavion AuNP-pohjaisten LFIA-prototyyppien suunnitteluun. Tämä metodologinen viitekehys tarjoaa pohjan vastaavien analyysien kehittämiseen muiden analyyttien havaitsemiseksi. Työ edistää diagnostista tutkimusta kehittämällä lukijasta riippumattoman LFIA:n pepsinogeeni I:n havaitsemiseksi kultananopartikkeleita hyödyntäen, ja sillä on potentiaalisia sovelluksia mahalaukun atrofian ja siihen liittyvän mahalaukun syövän riskin varhaisessa seulonnassa.