Development of a Molecularly Imprinted Polymer-based electrochemical biosensor for the detection of Spike Protein in SARS-CoV-2

Abstract

Em 2020 o mundo deparou-se com COVID-19, a coronavirus disease causada pelo Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus (SARS-CoV-2), que evoluiu para pandemia até aos dias de hoje. Apesar de estarem disponíveis vacinas que permitem reduzir o número de hospitalizações e sintomas severos, a transmissão continua a ocorrer, sendo ainda mais elevada devido a novas variantes, como a Omicron ou a Delta. Assim, o uso individual de máscara e a testagem são ferramentas fundamentais para combater esta pandemia, bem como testes que permitam identificar a infeção. Os testes rápidos de antigénio disponíveis no mercado permitem uma testagem em massa, pelo seu baixo custo e rapidez de resposta, embora com sensibilidade por vezes limitada, enquanto os testes PCR permitem aferir com mais rigor a infeção, mas para um número mais limitado de pessoas, pelo seu maior custo e menor rapidez. O objetivo desta dissertação é, por isso, o desenvolvimento de um teste alternativo para a deteção do vírus SARS-CoV-2, que permita uma testagem em massa com elevada sensibilidade e um baixo custo. O sistema sensor foi desenhado com base em polímeros com impressão molecular (MIP, do inglês, molecularly imprinted polymer), usando a proteína Spike (ou proteína S) como modelo. Esta proteína existe à superfície do vírus SARS-CoV-2 pelo que o seu reconhecimento deverá induzir a deteção da presença do vírus. O reconhecimento da presença da proteína foi baseado em sistemas eletroquímicos, que permitem o recurso a sistemas portáteis, com leituras de elevada sensibilidade. Os suportes utilizados para este efeito foram um sistema de 3 elétrodos impressos (SPEs, do inglês, screen printed electrodes) com elétrodo de trabalho em carbono (C-SPEs). Ao longo deste trabalho, foram testadas várias abordagens de impressão molecular e otimizadas várias variáveis, identificando-se algumas condições que são promissoras para o desenvolvimento de futuro de sensores baseados em MIPs para reconhecimento da proteína S do SARS-CoV-2.

Respiratory illness coronavirus disease, COVID-19, caused by Severe Acute Syndrome Coronavirus (SARS-CoV-2) has become a pandemic to date. Although there are vaccines that reduce the number of variants and severe symptoms, transmission continues and is even higher due to new coming variants such as Omicron or Delta. So, we need vaccine tools to fight this pandemic, as well as basic tests that identify the presence of the infection. To this end, there are rapid antigen tests available on the market that allow mass testing due to their low cost and fast response time, although their sensitivity is sometimes limited, and PCR tests allow a more accurate assessment of the infection, but for a more limited number of patients. due to their higher cost and lower speed.Therefore, the aim of this dissertation is to develop an alternative assay for the detection of SARS-CoV-2 virus that provides a mass test with high sensitivity and low cost. The sensor system was developed based on molecularly imprinted polymers (MIP), using a spike protein (or S-protein) as a model. This protein is located on the surface of the SARS-CoV-2 virus, so its detection should trigger a detection of the virus. The detection of S-protein was based on electrochemical systems that allow the use of portable systems with high sensitivity. A system of 3 screen-printed electrodes (SPEs) with carbon working electrode (C-SPEs) was used as the support material. During this work, several MIP approaches were implemented and several variables were optimized, enabling the identification of specific conditions that offer promising data for the detection of S-protein from SARS-CoV-2.