Biosensing in complex media: development of a simple and anti-fouling biofunctionalization strategy for integrated SPR biosensors

Surface plasmon resonance (SPR) biosensors are powerful tools in diagnostics, and continuous work is done to increase their sensitivity, enabling the detection of extremely low concentration of molecules. However, real life detection of analytes should be performed mostly in complex media, where many other species are present and which can result in non-specific signal. Therefore, is important to develop anti-fouling biofunctionalization strategies to inhibit the non-specific adsorption of proteins on the surface of the sensor. Moreover, such strategies should enable simple and effective immobilization of biorecognition elements to allow sensitive and specific detection of target analyte. These two requirements are particularly important when biosensors should be integrated in innovative diagnostic devices, such as the Organ-on-chip-biosensing platform conceived by BuonMarrow project for early diagnosis of lung cancer relapse. In this case, the biosensor should be designed to work synergically with the OoC and allows detection of key biomarkers released in culture medium by cultured bone marrow mesenchymal stem cells. Here, we assessed three surface biofunctionalization strategies to identify the best trade-off between anti-fouling properties and simplicity, yet effectiveness, of antibody immobilization. By using real-time measurement of plasmonic biosensors, we demonstrated that simply obtainable surface-attached hydrogel coatings possess excellent resistance to non-specific adsorption, both with single-protein systems and complex media. We then tested the antibody immobilization and biomarker detection capability, arguing that hydrogel coatings once again showed the best potential to accommodate high amounts of antibodies. Overall, hydrogel-based biofunctionalization of SPR biosensors represents a simple and promising strategy to achieve reliable analyte detection in complex media. Moreover, the versatility of the system could enable its employment in other diagnostic and biomedical research applications.

I biosensori a risonanza plasmonica di superficie (SPR) rappresentano un potente strumento nell’ambito della diagnostica e vengono fatti continui sforzi per aumentarne la sensitività. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, la detezione di analiti deve avvenire in mezzi complessi, nei quali sono presenti molte altre specie che possono causare segnale non specifico. Risulta perciò fondamentale sviluppare strategie di biofunzionalizzazione in grado di prevenire l’assorbimento non specifico di proteine sulla superficie del biosensore. Inoltre, tali strategie dovrebbero consentire una semplice ed efficace immobilizzazione di biorecettori. Questi due requisiti sono particolarmente rilevanti nel caso in cui sia necessaria l’integrazione dei biosensori a innovativi dispositivi diagnostici, quali la piattaforma per la diagnosi precoce della recidiva di cancro al polmone ideata dal progetto BuonMarrow. In questo caso, è necessario progettare il biosensore affinché sia in grado di lavorare in sinergia con un organo su chip, permettendo la detezione di biomarcatori chiave rilasciati nel mezzo di coltura proveniente da cellule mesenchimali staminali di midollo osseo. In questo progetto, sono state valutate tre strategie di biofunzionalizzazione superficiale per identificare quella in grado di offrire il migliore compromesso tra resistenza all’assorbimento non specifico e semplicità nell’immobilizzazione di anticorpi. Abbiamo dimostrato che rivestimenti, facilmente ottenibili, di idrogelo adesi alla superficie del biosensore possiedono eccellenti proprietà di resistenza all’assorbimento non specifico, sia con sistemi a singola proteina che in mezzi complessi. Si è poi valutata la capacità di immobilizzazione di anticorpi e di detezione, argomentando che i rivestimenti di idrogelo mostrano una volta ancora il miglior potenziale. Gli idrogeli possono accomodare ingenti quantità di anticorpi e semplici tecniche in-situ potrebbero essere ottimizzate per immobilizzare i biorecettori al momento del bisogno per la detezione. Complessivamente, la biofunzionalizzazione di biosensori SPR basata su idrogeli rappresenta una strategia semplice e promettente per consentire la detezione affidabile di analiti in mezzi complessi.