Complex plasmonic platforms for SERS diagnosis and environmental monitoring

Abstract

Major depression is a mood disorder that causes a feeling of sadness and a persistent loss of interest in the patient's daily life, with a prevalence of 7%. There are no laboratory tests that help the psychiatrist for a quick diagnosis. Along with the search for a simple and economic biomarker for depression that could be used to diagnose and monitor the disease in time, a new method is configured to quantify proteins in the blood that improves the detection limits achieved by current methods and also allows a rapid translational approach that overcomes the usual gap between basic research and clinical applicability. This method is based on surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS): a technique that improves the inelastic dispersion of molecules with different modes of vibration irradiated with monochromatic light (usually a laser) Likewise, the synthesis of intelligent nanostructures can be applied to other areas of health, such as the detection of pollutants in environmental media.

goals 1. Characterize new serum biomarkers in previously untreated patients with major depression based on the release by proteolysis (mediated by MMP) of the soluble fragments of the LRP2 receptor. 2. Develop new detection methods based on Raman technology. 3. Synthesis of plasmonic nanostructures for ultradetection. 4. Apply nanostructures synthesized in various fields, such as the environment. Methodology The studied subjects are patients of both sexes between the ages of 18 and 65 who attend psychiatric consultations in the health area of Vigo in Adult Mental Health Units (USM) of the Psychiatry Service of the "Xerencia de Xestión Integrada de Vigo", which consists of two main groups: Group 1 (patients): subjects diagnosed with depressive disorder according to the DSM-V that initiate the treatment and accompanying signed informed consent. Group 2 (healthy controls): subjects who accompany patients to the consultation without a diagnosis of mental or neurological diseases. The analysis (detection and quantification) of the proteins studied will be carried out by means of the relevant techniques: Western Blot, tris-tricine gel electrophoresis, ELISA, immunoprecipitations, immunohistochemistry, and confocal microscopy analysis. The creation of nanostructures will be carried out by colloidal chemical synthesis techniques. Media Human resources: the research team is made up of psychiatrists, psychologists, neurologists, nursing assistants, support technicians and researchers who carry out their scientific and assistance work in the IISG and Integrated Management of Vigo. Material resources: Assistance work will be carried out in the Adult Mental Health Unit (USM) and the Mental Health Unit for Children (USMI) of the Psychiatry Service. For the research work, the hospital has new research laboratories located in the Álvaro Cunqueiro hospital and equipped with equipment for immunohistochemistry and ultrastructural studies, genetics, proteomics and imaging, and cell biology. Planning The proposed work is planned for 4 years, so we began to collect samples in 2014 with the objective of carrying out the experimental laboratory work and the subsequent statistical analysis during the years 2015 and 2016. The collection of samples and consultations are carried out in USM and USMI in the Álvaro Cunqueiro Hospital and the Nicolás Peña de Vigo Hospital by the team of psychiatrists and psychologists: Dr. José Manuel Olivares, Dr. Belén Martínez Alonso, Dr. Marta López García, Dr. Águeda Rojo Pantoja, Dr. José Luis Benavente Martín and Dr. Tania Rivera Baltanás. The processed and well-preserved samples are stored in the research laboratories of the Neurology Group led by Dr. Carlos Spuch. The samples are processed by the doctoral student following the proposed methodology with the help of the laboratory staff. During the following years, the samples will be analyzed and the described nanotechnology devices will be made, fulfilling the proposed objectives.

La depresión mayor es un trastorno del estado de ánimo que provoca una sensación de tristeza y una persistente pérdida de interés en la vida cotidiana del paciente, con una prevalencia del 7%. No hay pruebas de laboratorio que ayuden al psiquiatra para un diagnóstico rápido. Junto con la búsqueda de un biomarcador simple y económico para la depresión que podría usarse para diagnosticar y monitorear la enfermedad a tiempo, se configura un nuevo método para cuantificar proteínas en la sangre que mejore los límites de detección logrados por los métodos actuales y también permita un enfoque traslacional rápido que supere la brecha habitual entre la investigación básica y la aplicabilidad clínica. Este método se basa en la dispersión de raman mejorada en superficie (SERS): una técnica que mejora la dispersión inelástica de moléculas con diferentes modos de vibración irradiados con luz monocromática (generalmente un láser) Así mismo, la síntesis de nanoestructuras inteligentes puede aplicarse a otras áreas de la salud, como la detección de contaminantes en medios ambientales. Objetivos 1. Caracterizar nuevos biomarcadores en suero en pacientes sin tratamiento previo con depresión mayor basados en la liberación por proteólisis (mediada por MMP) de los fragmentos solubles del receptor LRP2. 2. Desarrollar nuevos métodos de detección basados en tecnología Raman. 3. Síntesis de nanoestructuras plasmónicas para ultradetección. 4. Aplicar nanoestructuras sintetizadas en diversos campos, como el entorno. Metodología Los sujetos de estudio son pacientes de ambos sexos entre las edades de 18 y 65 años que asisten a consultas psiquiátricas del área de salud de Vigo en las Unidades de Salud Mental de Adultos (USM) del Servicio de Psiquiatría de “Xerencia de Xestión Integrada de Vigo”, que consta de dos grupos principales: Grupo 1 (pacientes)Grupo 2 (controles sanos). El análisis (detección y cuantificación) de las proteínas estudiadas se llevará a cabo mediante las técnicas pertinentes: Western Blot, electroforesis en geles de tris tricina, ELISA, inmunoprecipitaciones, inmunohistoquímica y análisis de microscopía confocal. La creación de nanoestructuras se llevará a cabo mediante técnicas de síntesis química coloidal. Medios Recursos humanos: el equipo de investigación está formado por psiquiatras, psicólogos, neurólogos, auxiliares de enfermería, técnicos de apoyo e investigadores que realizan su trabajo científico y asistencial en el IISG y Xerencia de Xestión Integrada de Vigo. Recursos materiales: El trabajo de asistencia se llevará a cabo en la Unidad de Salud Mental para Adultos (USM) y en la Unidad de Salud Mental para Niños (USMI) del Servicio de Psiquiatría. Para el trabajo de investigación, el hospital cuenta con nuevos laboratorios de investigación ubicados en el hospital Álvaro Cunqueiro y equipados con equipos para técnicas de inmunohistoquímica y estudios ultraestructurales, genética, proteómica e imagen y biología celular. Planificación El trabajo propuesto está planificado para 4 años, por lo que comenzamos a recolectar muestras en 2014 con el objetivo de llevar a cabo el trabajo de laboratorio experimental y el análisis estadístico posterior durante los años 2015 y 2016. La recolección de muestras y consultas se realizan en USM y USMI en el Hospital Álvaro Cunqueiro y el Hospital Nicolás Peña de Vigo por el equipo de psiquiatras y psicólogos: Dr. José Manuel Olivares, Dra. Belén Martínez Alonso, Dra. Marta López García, Dra. Águeda Rojo Pantoja, Dra. José Luis Benavente Martín y la Dra. Tania Rivera Baltanás. Las muestras procesadas y bien conservadas se almacenan en los laboratorios de investigación del Grupo de Neurología dirigido por el Dr. Carlos Spuch. Las muestras son procesadas por la doctoranda siguiendo la metodología propuesta. Durante los años siguientes, las muestras se analizarán y los dispositivos de nanotecnología descritos se harán, cumpliendo los objetivos propuestos

A depresión maior é un trastorno do estado de ánimo que provoca sensación de tristeza e perdida de interese persistentes no día a día do doente, cunha prevalencia do 7%. Non existen probas de laboratorio que axuden ó psiquiatra a un diagnóstico rápido. Conxuntamente coa búsqueda dun biomarcador simple e barato para a depresión que podería ser utilizado para o diagnóstico e seguimento da enfermidade no tempo, plantéxase un novo método para a cuantificación das proteínas en sangue que mellore os límites de detección acadados polos métodos vixentes e que permita ademais unha rápida translacionalidade que supere a habitual fenda existente entre a investigación básica e a aplicabilidade clínica. Este método baséase na detección Raman mellorada por superficie ou SERS (surface-enhanced Raman scattering): unha técnica que mellora a dispersión inelástica de moléculas con diferentes modos de vibración irradiados con luz monocromática (normalmente un láser). Así mesmo, a síntese de nanoestruturas intelixentes pódese aplicar a outros ámbitos da saúde como pode ser a detección de contaminantes en medios ambientais.

Obxectivos 1. Caracterizar novos biomarcadores en soro en pacientes naïve con depresión maior baseándonos na liberación por proteólise (mediada por MMPs) dos fragmentos solubles do receptor LRP2. 2. Desenrolar novos métodos de detección baseados na tecnoloxía Raman 3. Síntese de nanoestruturas plasmónicas para ultradetección 4. Aplicar as nanoestruturas sintetizadas en diversos ámbitos, como o ambiental. Metodoloxía Os suxeitos de estudo son pacientes de ambos sexos con idades comprendidas entre 18-65 anos que asistan a consultas psiquiátricas da área sanitaria de Vigo nas Unidades de Saúde Mental de Adultos (USM) do Servizo de Psiquiatría da “Xerencia de Xestión Integrada de Vigo”, composto por dous grupos principais: Grupo 1 (pacientes), Grupo 2 (controles sans). Se considerarán as variables do cuestionario sociodemográfico e do cuestionario clínico. A análise (detección e cuantificación) das proteínas estudadas levarase a cabo mediante as técnicas pertinentes: Western Blot, electroforese en xeles de tris tricina, ELISAs, inmunoprecipitacións, inmunohistoquímica e análise mediante microscopía confocal. A creación de nanoestruturas realizarase mediante técnicas de síntese de química coloidal. Medios Recursos humanos: O equipo de investigación consta de psiquiatras, psicólogos, neurólogos, auxiliares de enfermería, técnicos de apoio e investigadores que realizan as súas labores asistenciais e científicas no IISG e na Xerencia de Xestión Integrada de Vigo. Recursos materiais: A labor asistencial realizarase na Unidade de Saúde Mental de Adultos (USM) e na Unidade de Saúde Mental Infantil (USMI) do Servizo de Psiquiatría. Para a labor de investigación o hospital conta con novos laboratorios de investigación localizados no Hospital Álvaro Cunqueiro e dotados con equipamento para técnicas de inmunohistoquímica e estudo ultraestructural, de xenética, de proteómica e imaxe e de bioloxía celular. Planificación O traballo proposto plantéxase durante 4 anos, por iso comezamos a realizar a recollida de mostras no ano 2014, co obxectivo de realizar o traballo experimental de laboratorio e posterior análise estatística durante o ano 2015 e 2016. A colección de mostras e as consultas realízanse polo equipo de psiquiatras e psicólogos: Dr. José Manuel Olivares, Dra. Belén Martínez Alonso, Dra. Marta López García, Dra. Águeda Rojo Pantoja, Dr. José Luis Benavente Martín y Dra. Tania Rivera Baltanás. As mostras procesadas e ben conservadas son almacenadas nos laboratorios de investigación do Grupo de Neuroloxía dirixido polo Dr. Carlos Spuch. As mostras son procesadas pola doutoranda seguindo a metodoloxía proposta con axuda do persoal do laboratorio. Durante os anos 2016 e 2017 se analizarán as mostras cumprindo os obxectivos propostos e se desenrolarán os dispositivos nanotecnolóxicos descritos.