Class 2016
PhD Grant: PD/D/BD/116850/2016
PhD thesis
Nanoparticle-based (Bio)sensors: Blowing Tailwinds of Information to Wellness and Healthcare
Supervisor
• Miguel F. Prazeres, Professor @ IST/ULisboa, PT
• Pedro M. Paulo, Research Scientist @ IST/ULisboa, PT
• Nuno João Silva, Research Scientist @ CICECO, UAveiro, PT
Collaborators
• Peter Zijlstra, Professor @ TUEindhoven, Eindohoven, NL
• Angel Millan, University of Zaragoza, Zaragoza, Spain
• Romana Schirhagl, University of Groningen, Groningen, NL
PhD Degree complete: Discussion on November 30, 2022
THESIS ABSTRACT
The process of gather, analyse, and convert information into knowledge is a crucial step to assess the state of a system. Modern medicine is not an exception to this premise, and therefore the usage and development of (bio)sensors as a tool to harvest information about a patient’s health condition is critical to enable adequate response. Hence, the scope of this thesis is to push the limits of (bio)sensors by exploring the features of nanomaterials. To do so, I explored three independent concepts:
• A magnetic thermometer resorting to nanoparticles with a sharp magnetic transition around 42˚C was prepared and tested as a non-volatile logic-gate. The Iron Selenide (Fe3Se4) nanoplatelets determined the occurrence of temperature overshoots during hyperthermia treatments in vitro using a prostate cancer (PC-3) cell line as a model.
• A plasmophore composed of gold-coated silver triangular nanoprisms (Ag@Au NTs) operates as support and optical antenna for ATTO-655. The ability and efficiency to detect nucleic acid sequences using the fluorescent nanocomposite was assessed. Confocal fluorescence lifetime microscopy characterized the optical properties of the hybrid constructions, unveiling that emission from a single nano-object is a 1000-fold brighter than that from a single dye label.
• For last, dark-field microscopy was employed to determine proteolytic activity in real-time at a single particle level. The particle’s optical response is monitored as the cleavage of the peptide layer on the AuNRs’ surface by the protease induces changes in the local refractive index. With hundreds of milliseconds of time resolution, this design rendered powerful insights about the kinetics of the reaction. Also, the ratio between two competitive mechanisms – peptide cleavage and non-specific adsorption – enabled to overcome the non-trivial response of the substrate-limited sensor. Quantification of active enzyme over three orders of magnitude as working range with detection limits of a few nanomolar was achieved.
Overall, I aspire that the principles underlying the (bio)sensors developed within the framework of this thesis can significantly contribute to fields and concepts such as P4 medicine by enabling access, either discretely in time or through continuous monitorization, to information previously considered unattainable.
RESUMO DA TESE
O processo de recolha informação e sua conversão em conhecimento é um passo crucial para avaliar o estado de determinado sistema. A medicina moderna não é excepção a esta premissa. Por este motivo, a utilização e desenvolvimento de (Bio)ssensores está intimamente ligada com a capacidade de recolher informação relevante sobre o estado de saúde de um paciente, permitindo uma resposta adequada e “educada”. Neste âmbito, esta tese focou-se no desenvolvimento de (bio)ssensores com potencialidade para serem integrados em diagnóstico médico e controlo de processo e/ou tratamentos. Aqui é apresentado o design e desenvolvimento experimental e três conceitos de (Bio)ssensores independentes:
• Um nanotermómetro composto de Seleneto de Ferro (Fe3Se4) com propriedades de magnetos duros foi preparado e testado como porta-lógica não-volátil. Simultaneamente estes nanodiscos apresentam uma transição magnética abrupta em torno dos 42˚C. Procedente das suas propriedades magnéticas peculiares, as nanoplacas foram capazes de determinar a ocorrência de sobreaquecimento durante tratamentos de hipertermia in vitro utilizando como modelo uma linha celular de cancro da próstata (PC-3).
• Um plasmóforo constituido por nanoprismas triangulares de prata revestida a ouro (Ag@Au NTs) que operam como nanoantena óptica para a emissão do fluoróforo ATTO-655 na detecção de ácidos nucleicos foi desenvolvido. As propriedades ópticas do nanomaterial híbrido resultante foram caracterizadas utilizando microscopia por tempos de vida de fluorescência em modo confocal. Assim, foi possível verificar que o nanohíbrido possuía uma emissão 1000 vezes superior à emissão de um fluoróforo individual.
• Por fim, nanobastonetes de ouro (AuNRs) foram aplicados na determinação de actividade proteolítica em tempo-real sob microscopia de campo escuro. O corte da camada peptídica existente à superfície dos AuNRs induz uma alteração no indice de refração local que é sondado pela alteração das propriedades ópticas dos AuNRs. O biossensor resultante possibilita observação de partícula individual com possibilidade de mapeamento espacial. Também, permite a monitorização da actividade proteolítica com uma resolução temporal na ordem das centenas de milissegundos e ao longo de três ordens de magnitude de concentração desde 1 até 300 nanomolar.
Idealmente é desejado que os princípios subjacentes aos (bio)ssensores desenvolvidos no contexto desta tese possam contribuir significativamente na área de sensores e em conceitos como o de medicina P4 por facilitação do acesso a informação previamente inatingível sobre a ocorrência de eventos discretos no tempo ou por monitorização continua do processo.
PUBLICATIONS
Papers
Silva-Santos AR, Oliveira-Silva R, Rosa SS, Paulo PMR, Prazeres DMF, Affinity-Based Magnetic Particles for the Purification of Single-Stranded DNA Scaffolds for Biomanufacturing DNA-Origami Nanostructures, ACS Applied Nano Materials, 4 (12) 14169–14177, 2021
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Matias IAS, Ribeiro APC, Oliveira-Silva RP, Prazeres DMF, Martins LMDRS, “Gold Nanotriangles as Selective Catalysts for Cyclohexanol and Cyclohexanone Production”. Applied Sciences, 8, 2655, 2018.
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Oral Communications
Oliveira-Silva R, Pereira RA, Silva FM, Gaspar VM, Ibarra A, Millán A, Sousa FL, Mano JF, Silva NJO, “Monitorization of cellular hyperthermia using iron selenide nanoplatelets as temperature-responsive nanomagnetic logic gates”, 6th Nano Today Conference, 16 – 20 June 2019, Lisboa, Portugal.
Oliveira-Silva R, Pereira RA, Silva FM, Gaspar VM, Ibarra A, Millán A, Sousa FL, Mano JF, Silva NJO, Temperature-responsive magnetic logic gates in cellular hyperthermia process”, NanoSpain2019, 28 – 31 May 2019, Barcelona, Spain,
DOCTORAL PROGRAM (36 ECTS)
• General Doctoral Training (6 ECTS)
• Advanced Experimental Techniques and methodologies (6 ECTS)
• Bioentrepreneurship (6 ECTS)
• Surfaces, Interfaces and Colloids (6 ECTS)
• Advanced Biomaterials (6 ECTS)
• Nanobiotechnology (6 ECTS)
Current Position: Bolseiro de pós-doc da UA no projecto “Development of 4D wireless thermometry to target tumor ablation”