Biomimetic Nanophotonic Sensors for Immunotherapy Evaluation

Abstract

Aquesta tesi doctoral se centra en el desenvolupament de biosensors nanofotònics innovadors amb l'objectiu de millorar l'avaluació de les immunoteràpies per al càncer i les malalties infeccioses, especialment mitjançant l'ús d'anticossos monoclonals (mAbs). Els mètodes actuals per avaluar les interaccions dels mAbs amb cèl·lules immunitàries o patògens es basen en tècniques laborioses com els cultius cel·lulars i els assajos colorimètrics, fet que provoca retards en el desenvolupament de teràpies efectives i un augment dels costos. Per abordar aquestes limitacions, aquesta tesi introdueix biosensors nanofotònics avançats dissenyats per agilitzar i accelerar la selecció i l'avaluació dels mAbs, especialment com a inhibidors de punts de control immunitari o agents antivirals. La investigació posa èmfasi en la creació de biosensors sense marcadors i en temps real, capaços d'analitzar interaccions biomoleculars i cel·lulars. Aquests sensors, dissenyats per a l'ús en el punt d'atenció, ofereixen millores significatives respecte als mètodes tradicionals. El treball inclou la fabricació de nanostructures plasmòniques a partir d'or i plata i nanoresonadors dielèctrics de materials d'alt índex de refracció com el silici. Aquestes nanostructures funcionen com a sensors refractomètrics altament sensibles, capaços de detectar canvis mínims en l'índex de refracció que es produeixen durant les interaccions biomoleculars. A més, en aquesta tesi es desenvolupa un protocol nou de biofuncionalització que permet la formació de membranes cel·lulars artificials directament sobre la superfície del sensor. Utilitzant bicapas lipídiques, aquest enfocament biomimètic crea un microambient biològicament rellevant als sensors, permetent-los ancorar lligands i receptors específics. En imitar entorns cel·lulars naturals, els sensors proporcionen dades més fiables i biològicament precises. Aquest protocol millora la capacitat dels sensors per avaluar el potencial terapèutic dels mAbs i d'altres candidats d'immunoteràpia. S'exploren dues aplicacions específiques d'aquests biosensors: primer, en el cribratge de mAbs com a teràpies antivirals potencials, incloent tractaments per a la COVID-19. La capacitat d'avaluar ràpidament les interaccions dels mAbs amb les proteïnes virals ofereix avantatges crítics en la resposta a malalties infeccioses emergents. En segon lloc, els biosensors s'utilitzen per avaluar inhibidors de punts de control immunitari que actuen sobre la via PD-1, vital en la immunoteràpia del càncer. Aquests sensors contribueixen a avaluacions més ràpides i precises dels inhibidors, millorant el procés de selecció de candidats terapèutics i permetent tractaments del càncer més efectius. En conjunt, aquesta tesi representa un avenç significatiu en la tecnologia de biosensors nanofotònics, oferint mètodes més ràpids, senzills i fiables per avaluar mAbs i altres candidats terapèutics. Les innovacions tecnològiques en el disseny dels sensors i la funcionalització bioquímica presentades aquí tenen potencial per a una àmplia gamma d'aplicacions biomèdiques, incloent-hi el diagnòstic de precisió i la medicina personalitzada. En abordar els principals reptes en l'avaluació d'immunoteràpies, aquests biosensors nanofotònics estan preparats per convertir-se en eines essencials en la recerca biomèdica i el desenvolupament terapèutic del futur.

Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de biosensores nanofotónicos innovadores destinados a mejorar la evaluación de inmunoterapias para el cáncer y las enfermedades infecciosas, especialmente a través del uso de anticuerpos monoclonales (mAbs). Los métodos actuales para evaluar las interacciones de los mAbs con células inmunitarias o patógenos dependen de técnicas laboriosas como los cultivos celulares y los ensayos colorimétricos, lo que provoca retrasos en el desarrollo de terapias eficaces y aumenta los costos. Para abordar estas limitaciones, esta tesis introduce biosensores nanofotónicos avanzados diseñados para agilizar y acelerar la selección y evaluación de mAbs, especialmente como inhibidores de puntos de control inmunitarios o agentes antivirales. La investigación enfatiza la creación de biosensores en tiempo real y sin etiquetas, capaces de analizar interacciones biomoleculares y celulares. Estos sensores, diseñados para su uso en el punto de atención, ofrecen mejoras significativas sobre los métodos tradicionales. El trabajo incluye la fabricación de nanoestructuras plasmónicas de oro y plata, así como nanoresonadores dieléctricos a partir de materiales de alto índice de refracción como el silicio. Estas nanoestructuras funcionan como sensores refractométricos de alta sensibilidad, capaces de detectar cambios mínimos en el índice de refracción que ocurren durante las interacciones biomoleculares. En esta tesis también se desarrolla un novedoso protocolo de biofuncionalización, que permite la formación de membranas celulares artificiales directamente sobre la superficie del sensor. Utilizando bicapas lipídicas, este enfoque biomimético crea un microambiente biológicamente relevante en los sensores, lo que les permite anclar ligandos y receptores específicos. Al imitar entornos celulares naturales, los sensores proporcionan datos más fiables y biológicamente precisos. Este protocolo mejora la capacidad de los sensores para evaluar el potencial terapéutico de los mAbs y otros candidatos de inmunoterapia. Se exploran dos aplicaciones específicas de estos biosensores: primero, en la selección de mAbs como posibles terapias antivirales, incluidas las para el tratamiento del COVID-19. La capacidad de evaluar rápidamente las interacciones de los mAbs con proteínas virales ofrece ventajas críticas para responder a enfermedades infecciosas emergentes. En segundo lugar, los biosensores se utilizan para evaluar inhibidores de puntos de control inmunitarios dirigidos a la vía PD-1, que es crucial en la inmunoterapia contra el cáncer. Estos sensores contribuyen a evaluaciones más rápidas y precisas de los inhibidores, mejorando el proceso de selección de candidatos terapéuticos y conduciendo a tratamientos contra el cáncer más efectivos. En general, esta tesis representa un avance significativo en la tecnología de biosensores nanofotónicos, ofreciendo métodos más rápidos, simples y fiables para evaluar mAbs y otros candidatos terapéuticos. Las innovaciones tecnológicas en el diseño de sensores y la funcionalización bioquímica presentadas aquí tienen potencial para una amplia gama de aplicaciones biomédicas, incluidas el diagnóstico de precisión y la medicina personalizada. Al abordar desafíos clave en la evaluación de inmunoterapias, estos biosensores nanofotónicos están destinados a convertirse en herramientas esenciales en la investigación biomédica futura y el desarrollo de terapias.

This PhD thesis focuses on the development of innovative nanophotonic biosensors aimed at improving the evaluation of immunotherapies for cancer and infectious diseases, particularly through the use of monoclonal antibodies (mAbs). Current methods for assessing mAb interactions with immune cells or pathogens rely on labor-intensive techniques like cell culture and colorimetric assays, leading to delays in developing effective therapies and increasing costs. To address these limitations, this thesis introduces advanced nanophotonic biosensors designed to streamline and accelerate the selection and evaluation of mAbs, especially as immune checkpoint inhibitors or antiviral agents. The research emphasizes the creation of label-free, real-time biosensors capable of analyzing biomolecular and cellular interactions. These sensors, designed for point-of-care use, offer significant improvements over traditional methods. The work involves the fabrication of plasmonic nanostructures from gold and silver and dielectric nanoresonators from high-refractive-index materials like silicon. These nanostructures function as highly sensitive refractometric sensors, capable of detecting minute changes in the refractive index that occur during biomolecular interactions. A novel biofunctionalization protocol is also developed in this thesis, enabling the formation of artificial cell membranes directly on the sensor surface. Using lipid bilayers, this biomimetic approach creates a biologically relevant microenvironment on the sensors, allowing them to anchor specific ligands and receptors. By mimicking natural cellular environments, the sensors provide more reliable and biologically accurate data. This protocol enhances the sensors' ability to evaluate the therapeutic potential of mAbs and other immunotherapy candidates. Two specific applications of these biosensors are explored: first, in the screening of mAbs as potential antiviral therapies, including treatments for COVID-19. The ability to quickly assess mAb interactions with viral proteins offers critical advantages in responding to emerging infectious diseases. Second, the biosensors are used to evaluate immune checkpoint inhibitors targeting the PD-1 pathway, which is vital in cancer immunotherapy. These sensors contribute to faster and more accurate assessments of inhibitors, improving the selection process for therapeutic candidates and leading to more effective cancer treatments. Overall, this thesis represents a significant advancement in nanophotonic biosensor technology, offering faster, simpler, and more reliable methods for evaluating mAbs and other therapeutic candidates. The technological innovations in sensor design and biochemical functionalization presented here hold potential for a range of biomedical applications, including precision diagnostics and personalized medicine. By addressing key challenges in immunotherapy evaluation, these nanophotonic biosensors are poised to become essential tools in future biomedical research and therapeutic development.