Photonic protein-based hydrogel for sensing microRNAs in extracellular vesicles

Abstract

Extracellular vesicles and their cargo play an important role in intercellular communication and can be used as biomarkers for health monitoring. The microRNAs (miRNAs) transported by these vesicles are responsible for triggering various biological responses in recipient cells. Certain sequences of miRNAs, such as miR-26a-5p, are associated with numerous diseases, especially cancer. Therefore, quantification of circulating miRNAs may be a promising tool for non-invasive biosensing. With the aim of developing ultrasensitive methods, there is great interest in sensors combining photonic crystals and stimuli-responsive hydrogels, as these materials may offer the essential properties to overcome the challenges of detecting low levels of biomarkers in complex biofluids. In this work, photonic protein-based hydrogels were developed for the first time to detect miRNAs. The versatility of protein hydrogels based on bovine serum albumin (BSA) was explored by applying different conjugation methods. The functional groups of BSA enabled the development of various hydrogels with embedded three-dimensional photonic crystals of poly(methyl methacrylate). The combined heat-induced crosslinking with amide bond formation resulted in hydrogels with good optical and mechanical properties, but an innovative process using genipin as a natural crosslinker was also tested. In addition, modification of the hydrogel with thiol-modified and biotin-modified antisense oligonucleotides to the target miR-26a-5p was optimized. The hydrogels were functionalized post-synthesis with thiolated anti-miRNAs using maleimide-thiol conjugation chemistry. The conjugation of biotin anti-miRNAs relied on the affinity between NeutrAvidin (NAv) protein and biotin, and the modification of BSA hydrogel with Nav was achieved after several post-synthesis modifications of the hydrogel. Also, a novel composite hydrogel was developed by including NAv together with BSA during hydrogel fabrication. Finally, the recognition of miR-26a-5p was evaluated through changes in the reflection peak of the photonic hydrogel. The composite NAv-BSA hydrogel demonstrated a sensitive response (down to picomolar) and a linear red shift in the reflectance peak proportional to increasing concentrations of miR-26a-5p.This photonic protein-based biosensor provides evidence for the detection of miRNAs using natural biopolymers in a simple and cost-effective design, highlighting their biocompatible and biodegradable properties, binding specificity and potential bioengineering for selective targeting and numerous biomedical applications.

As vesículas extracelulares e sua carga desempenham um papel importante na comunicação intercelular e podem ser usadas como biomarcadores de saúde. Os microRNAs (miRNA) transportados por estas vesículas desencadeiam diversas respostas biológicas nas células recetoras. Certas sequências de miRNAs, como o miR-26a-5p, estão associadas a inúmeras doenças, especialmente cancro. Assim, a quantificação de miRNAs circulantes pode ser uma ferramenta promissora para biossensores não invasivos. Com o objetivo de desenvolver métodos ultrassensíveis, há grande interesse em sensores que combinam cristais fotónicos e hidrogéis que respondem a estímulos, uma vez que estes materiais podem oferecer as propriedades essenciais para superar os desafios de detetar baixos níveis de biomarcadores em fluídos biológicos complexos.Neste trabalho, foram desenvolvidos pela primeira vez hidrogéis fotónicos à base de proteínas para detetar miRNAs. A utilização de diferentes métodos de conjugação permitiram explorar a versatilidade de hidrogéis proteicos à base de albumina de soro bovino (BSA). Os grupos funcionais da BSA permitiram desenvolver vários hidrogéis incorporando cristais fotónicos tridimensionais de poli(metilmetacrilato). A combinação de reticulação induzida por calor com formação de ligações amida, originou hidrogéis com boas propriedades óticas e mecânicas. Além disso, foi também testado um processo inovador usando a genipina como agente reticulante natural. De seguida, o processo de modificação do hidrogel com oligonucleótidos antisense para o miR-26a-5p alvo, modificados com tiol ou biotina, foi otimizado. Os hidrogéis foram funcionalizados pós-síntese com anti-miRNAs tiolados usando a reação maleimida-tiol. A conjugação dos anti-miRNAs modificados com biotina foi baseada na afinidade entre a proteína NeutrAvidin (NAv) e a biotina, e a ligação da NAv ao hidrogel de BSA foi alcançada após várias modificações pós-síntese do hidrogel. Foi também desenvolvido um novo hidrogel compósito incorporando NAv juntamente com BSA durante a fabricação do hidrogel. Finalmente, o reconhecimento do miR-26a-5p foi avaliado com base em alterações do comprimento de onda do pico de refletância do hidrogel fotónico. O hidrogel compósito NAv-BSA demonstrou uma resposta sensível (até picomolar) e um deslocamento do pico de refletância para maiores comprimentos de onda proporcional ao aumento das concentrações de miR-26a-5p.Este biossensor fotónico baseado em proteínas fornece evidências para a deteção de miRNAs usando biopolímeros naturais, utilizando um design simples e económico, e que destaca as suas propriedades biocompatíveis e biodegradáveis, especificidade de ligação e um potencial de utilização de vários métodos de bioengenharia para direcionamento seletivo e inúmeras aplicações biomédicas.