Optimization and characterization of a flexMEA multi-target electrochemical aptasensor for the detection of malaria biomarkers
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2022-12-13
Department
Major/Subject
Biotechnology
Mcode
CHEM3022
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
103+9
Series
Abstract
This thesis aims to optimize and characterize a multi-target testing method for malaria detection. Malaria is a mosquito-borne infectious disease caused by Plasmodium parasites. It is a leading cause of death and disease in many developing countries. Electrochemical aptamer-based biosensors (aptasensors) offer lower cost, more mobile and easier to manufacture and operate detection tests compared to other testing methods such as microscopy and polymerase chain reaction. Aptamers are artificially prepared short single-stranded oligonucleotides which are used as bioreceptors for aptasensors. Chronocoulometry, cyclic voltammetry and differential pulse voltammetry (DPV) were used for fabrication optimization and parameter analysis and DPV was used for characterization and detection. Diffusion based spontaneous self-assembled monolayer (SAM) formation was used as bio-functionalization method. By using four different aptamers synthetized with multiple thiol groups, 2008s, pL1, LDHp11 and 2106s, a multi-target aptasensor was fabricated by SAM deposi-tion forming an aptamer/PEG mixed monolayer offering high sensitivity, selectivi-ty, and specificity. The resulting multi-target aptasensors have sensitivities > 80% at 5 parasites/μL, clearly surpassing the WHO’s clinical minimum of > 75% at 200 parasites/μL. Furthermore, the multi-target aptasensors have also demonstrated specificities of 100% for all the aptamers, therefore sufficing the WHO’s clinical minimum of 90% for malaria detection. Long-term stability of the aptasensors was enhanced with commonly used stabilizer pullulan. The experiments were pullulan was introduced to the aptasensors showed great promise of enhanced stability. Fabrication of the flexMEA multi-target electrochemical aptasensor for malaria biomarker detection was further optimized with aptamers synthetized with multi-ple thiol groups and the resulting aptasensor was characterized based on its sensitivity, selectivity, specificity, and stability. Combination test that could detect and distinguish between P. falciparum and P. vivax is in high demand since distinguishing between the parasites is a key factor for correct treatment and preventing the parasites from developing further resistance towards antimalaria medication, a phenomenon recently observed in certain malaria-endemic areas. With further research, this detection method that detects not only HRP-2 but also PfLDH and PvLDH biomarkers for P. falciparum and P. vivax detection has potential to offer a low-cost, high affinity and sensitive approach for highly specific malaria detection.Tämän diplomityön tavoite on malarialoisten aiheuttaman malariainfektion havaitsemiseen käytetyn testausmenetelmän valmistuksen parantaminen ja luonnehtiminen. Tämä testausmenetelmä hyödyntää useita malarialoisten proteiineja tartuntalähteen tunnistamiseksi. Malaria on yksi johtavista kuolin- ja sairastumissyistä kehitysmaissa. Sähkökemialliset aptasensorit tarjoavat edullisemman, liikkuvamman ja helpommin valmistettavan ja käytettävän testausmenetelmän kuin mikroskopia ja polymeraasiketjureaktio. Valmistuksen parantamiseen ja analysointiin käytettiin biosensoreille tyypillisiä sähkökemiallisia luonnehtimis- ja testausmenetelmiä. Diffuusioon perustavaa itsestään kokoontuvan monomolekulaarisen kerroksen muodostumista käytettiin biotoiminnallisuuden saavuttamiseksi. Neljä aptameeria, 2008s, pL1, LDHp11 ja 2106s, toimivat työssä reseptorimolekyyleinä. Nämä aptameerit syntetisoitiin käyttäen useita tioliryhmiä aptameeri/PEG sekalaisen kerroksen muodostamiseksi, mikä tarjosi korkean signaalin, havaintokyvyn, selektiivisyyden ja havaitsemistarkkuuden. Tuotetun aptasensorin havaintokyky oli yli 80% kun parasiittejä oli 5/μL ylittäen selkeästi WHO:n kliinisen minimin, yli 75% kun parasiittejä on 200/ μL. Sen lisäksi, aptasensorin havaitsemistarkkuus oli 100% kaikkien aptameerien kohdalla täyttäen WHO:n kliinisen vaatimuksen, 90%. Pitkäaikaisen vakauden parantaminen pullulaanilla näytti myös lupaavia tuloksia. Taipuisan useita elektroneja sisältävän kokoonpanon käyttöä useita malaria biomarkkereita havaitsevana sähkökemiallisena aptasensorina paranneltiin käyttämällä useita tioliryhmiä ja lukuisia piirteitä havaitsevia menetelmiä tutkittiin tämän diplomityön aikana. Yhdistelmätesteille, jotka pystyvät erottamaan P. falciparumin ja P. vivaxin välillä, on tällä hetkellä tarvetta ja kysyntää. Parasiittien erottaminen on tärkeää oikean hoidon tarjoamisen kannalta. Parasiittien erottelu ja oikea diagnoosi estää parasiittejä kehittämästä vastustuskykyä malarialääkkeitä vastaan, sillä eri parasiittien aiheuttama infektio hoidetaan oikealla tavalla. Tutkimalla lisää tätä menetelmää, joka käyttää HRP-2:n lisäksi PfLDH:ta ja PvLDH:ta biomarkkereina P. falciparumin ja P. vivaxin havaitsemiseen, on mahdollista tarjota edullinen, korkea affiniteettinen ja tarkka menettelytapa malarian havaitsemiselle.Description
Supervisor
Scheller, SilvanThesis advisor
Figueroa Miranda, GabrielaKeywords
malaria detection, electrochemical aptasensor, self-assembled monolayer, lactate dehydrogenase, poly-ethylene glycol, aptamer