Colorimetric sensors for diagnosing severe infections leading to sepsis

Abstract

[cat] El maneig d'infeccions greus representa un desafiament significatiu per a l'atenció mèdica, que requereix la diferenciació de pacients que necessiten cures intensives, i, al mateix temps, que es personalitzen els tractaments per optimitzar-ne l'efectivitat, especialment davant la resistència antimicrobiana. Les infeccions mal gestionades poden derivar en sepsi, una resposta immunitària desregulada que resulta en disfunció orgànica amb conseqüències a llarg termini si no s'hi intervé promptament. Abordar aquests desafiaments requereix eines de diagnòstic ràpid que siguin fàcilment desplegables en diversos entorns d'atenció mèdica. Aquesta tesi de doctorat presenta dissenys de sensors que empleen mecanismes de transducció colorimètrica per a la generació ràpida de senyals, permetent-ne la interpretació ja sigui visualment o a través de programari de processament d'imatges, potencialment com a aplicacions per a telèfons. La utilització de partícules magnètiques i paper de filtre ajuda a concentrar cèl·lules, amplificant la sensibilitat i reduint les necessitats d'equips de laboratori. Aquests sensors estan optimitzats per a temps d'assaig ràpids per tal de proporcionar informació immediata per a decisions clíniques. La resistència antimicrobiana, particularment a través d'enzims d'hidròlisi d'antibiòtics, representa una amenaça crítica. S'ha desenvolupat un sistema de sensors múltiples per detectar classes específiques d'enzims expressades per bacteris resistents als antibiòtics, el que permet un diagnòstic ràpid en 90 minuts. Estratificar la gravetat de la infecció és crucial per al maneig del pacient. Una prova de cribatge basada en nanopartícules d'or ofereix una avaluació ràpida de l'estat inflamatori, distingint entre pacients que necessiten cures intensives i aquells donats d'alta de la UCI, inclosos els infectats per SARS-CoV-2. A més, un sensor plasmònic que utilitza nanopartícules d'or avalua la resposta del sistema immunològic en detectar l'estat de degranulació dels neutròfils, oferint informació sobre la restauració immunològica després de la recuperació d'una infecció greu a la UCI. En resum, aquest projecte de recerca presenta diversos sensors destinats a millorar el maneig d'infeccions greus, incloent-hi el diagnòstic ràpid de sepsi, l'avaluació de les necessitats de cures crítiques i la recuperació del pacient, i la personalització dels tractaments amb antibiòtics. Aquestes innovacions prometen millorar els resultats del pacient i optimitzar la utilització de recursos sanitaris en el maneig d'infeccions greus.

[eng] The management of severe infections presents a significant healthcare challenge, necessitating the differentiation of patients requiring intensive care while personalizing treatments to optimize effectiveness, especially in the face of antimicrobial resistance. Poorly managed infections can lead to sepsis, a dysregulated immune response resulting in organ dysfunction with long-term consequences if not promptly treated. Addressing these challenges requires rapid diagnostic tools that are easily deployable in various healthcare settings. This PhD thesis introduces sensor designs employing colorimetric transduction mechanisms for rapid signal generation, enabling interpretation either visually or through image processing software, potentially as smartphone apps. Utilizing magnetic beads and filter paper helps concentrate cells, amplifying sensitivity and reducing equipment needs. These sensors are optimized for quick assay times to provide timely information for clinical decisions. Antimicrobial resistance, particularly through antibiotic hydrolysis enzymes, poses a critical threat. A multisensor system has been developed to detect specific enzyme classes expressed by antibiotic-resistant bacteria, enabling rapid diagnosis within 90 minutes. Stratifying infection severity is crucial for patient management. A screening test based on gold nanoparticles offers rapid assessment of inflammatory status, distinguishing between patients requiring intensive care and those discharged from the ICU, including those with SARS-CoV-2 infection. Additionally, a plasmonic sensor utilizing gold nanoparticles assesses immune system response by detecting neutrophil degranulation status, offering insights into immune restoration post-severe infection recovery in the ICU. In summary, this research project presents several sensors aimed at improving severe infection management, including rapid sepsis diagnosis, assessing critical care needs and patient recovery, and personalizing antibiotic treatments. These innovations hold promise for enhancing patient outcomes and optimizing healthcare resource utilization in the management of severe infections.

[spa] El manejo de infecciones graves representa un desafío significativo para la atención médica, que requiere la diferenciación de pacientes que necesitan cuidados intensivos, y, al mismo tiempo, que se personalizan los tratamientos para optimizar su efectividad, especialmente ante la resistencia antimicrobiana. Las infecciones mal gestionadas pueden derivar en sepsis, una respuesta inmunitaria desregulada que resulta en disfunción orgánica con consecuencias a largo plazo si no se trata prontamente. Abordar estos desafíos requiere herramientas de diagnóstico rápido que sean fácilmente desplegables en diversos entornos de atención médica. Esta tesis de doctorado presenta diseños de sensores que emplean mecanismos de transducción colorimétrica para la generación rápida de señales, permitiendo su interpretación ya sea visualmente o a través de software de procesamiento de imágenes, potencialmente como aplicaciones para móvil. El uso de partículas magnéticas y papel de filtro ayuda a concentrar células, amplificando la sensibilidad y reduciendo las necesidades de equipos de laboratorio. Estos sensores están optimizados para tiempos de ensayo rápidos, a fin de proporcionar información inmediata para decisiones clínicas. La resistencia antimicrobiana, particularmente a través de enzimas de hidrólisis de antibióticos, representa una amenaza crítica. Se ha desarrollado un sistema de múltiples sensores para detectar clases específicas de enzimas expresadas por bacterias resistentes a los antibióticos, lo que permite un diagnóstico rápido en 90 minutos. Estratificar la gravedad de la infección es crucial para el manejo del paciente. Una prueba de cribado basada en nanopartículas de oro ofrece una evaluación rápida del estado inflamatorio, distinguiendo entre pacientes que necesitan cuidados intensivos y aquellos dados de alta de la UCI, incluidos los infectados por SARS-CoV-2. Además, un sensor plasmónico que utiliza nanopartículas de oro evalúa la respuesta del sistema inmunológico al detectar el estado de degranulación de los neutrófilos, ofreciendo información sobre la restauración inmunológica después de la recuperación de una infección grave en la UCI. En resumen, este proyecto de investigación presenta varios sensores destinados a mejorar el manejo de infecciones graves, incluido el diagnóstico rápido de sepsis, la evaluación de las necesidades de cuidados críticos y la recuperación del paciente, y la personalización de los tratamientos con antibióticos. Estas innovaciones prometen mejorar los resultados del paciente y optimizar la utilización de recursos sanitarios en el manejo de infecciones graves.