Antimicrobial peptides: Powerful biorecognition elements to detect bacteria in biosensing technologies

Bacterial infections represent a serious threat in modern medicine. In particular, biofilm treatment in clinical settings is challenging, as biofilms are very resistant to conventional antibiotic therapy and may spread infecting other tissues. To address this problem, biosensing technologies are emerging as a powerful solution to detect and identify bacterial pathogens at the very early stages of the infection, thus allowing rapid and effective treatments before biofilms are formed. Biosensors typically consist of two main parts, a biorecognition moiety that interacts with the target (i.e., bacteria) and a platform that transduces such interaction into a measurable signal. This review will focus on the development of impedimetric biosensors using antimicrobial peptides (AMPs) as biorecognition elements. AMPs belong to the innate immune system of living organisms and are very effective in interacting with bacterial membranes. They offer unique advantages compared to other classical bioreceptor molecules such as enzymes or antibodies. Moreover, impedance-based sensors allow the development of label-free, rapid, sensitive, specific and cost-effective sensing platforms. In summary, AMPs and impedimetric transducers combine excellent properties to produce robust biosensors for the early detection of bacterial infectionsPeer ReviewedPostprint (published version

Impedimetric antimicrobial peptide-based sensor for the early detection of periodontopathogenic bacteria

Peri-implantitis, an inflammation caused by biofilm formation, constitutes a major cause of implant failure in dentistry. Thus, the detection of bacteria at the early steps of biofilm growth represents a powerful strategy to prevent implant-related infections. In this regard, antimicrobial peptides (AMPs) can be used as effective biological recognition elements to selectively detect the presence of bacteria. Thus, the aim of the present study was to combine the use of miniaturized and integrated impedimetric transducers and AMPs to obtain biosensors with high sensitivity to monitor bacterial colonization. Streptococcus sanguinis, which is one of the most prevalent strains in the onset of periodontal diseases, was used as a model of oral bacteria. To this end, a potent AMP derived from human lactoferrin was synthesized and covalently immobilized on interdigitated electrode arrays (IDEA). X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were employed to optimize and characterize the method of immobilization. Noteworthy, the interaction of Streptococcus sanguinis with AMP-coated sensors provoked significant changes in the impedance spectra, which were univocally associated with the presence of bacteria, proving the feasibility of our method. In this regard, the developed biosensor permits to detect the presence of bacteria at concentrations starting from 101 colony forming units (CFU) mL-1 in KCl and from 102 CFU mL-1 in artificial saliva. Moreover, the system was devoid of cytotoxicity for human fibroblasts. These results indicate that the proposed approach can be effective in the detection of initial stages of biofilm formation, and may be useful in the early prevention and treatment of peri-implantitisPeer ReviewedPostprint (author's final draft

Sensor impedimétrico para la detección de bacterias patogénicas mediante péptidos antimicrobianos

Áccesit Congreso SIBB 2015La peri-implantitis, una inflamación causada por la formación del biofilm, es una de las causas más importantes de la fallida de los implantes en odontología. Por esto, la detección de bacterias patogénicas al inicio del proceso de formación de biofilms, representa una estrategia muy potente para la prevención de las infecciones en los implantes. Entre los diferentes métodos para la detección de bacterias patogénicas, los biosensores electroquímicos, especialmente los sistemas basados en impedancia (EIS), presentan una serie de ventajas como la miniaturización, la mejora en sensibilidad y el bajo coste. En este sentido, los péptidos antimicrobianos (AMPs), conocidos como componentes del sistema inmune y con actividad hacia las bacterias, pueden ser usados para desarrollar elementos de bioreconocimiento altamente efectivos. Por lo tanto, el objetivo de este estudio es la combinación del uso de EIS y la habilidad de los AMPs para obtener biosensores con alta sensibilidad, especificidad y límites de detección muy bajos para la detección de bacterias patogénicas.Peer ReviewedAward-winnin

All-in-one trifunctional strategy: A cell adhesive, bacteriostatic and bactericidal coating for titanium implants

Strategies to inhibit initial bacterial adhesion are extremely important to prevent infection on biomaterial surfaces. However, the simultaneous attraction of desired eukaryotic cells remains a challenge for successful biomaterial-host tissue integration. Here we describe a method for the development of a trifunctional coating that repels contaminating bacteria, kills those that adhere, and promotes osteoblast adhesion. To this end, titanium surfaces were functionalized by electrodeposition of an antifouling polyethylene glycol (PEG) layer and subsequent binding of a peptidic platform with cell-adhesive and bactericidal properties. The physicochemical characterization of the samples via SEM, contact angle, FTIR and XPS analysis verified the successful binding of the PEG layer and the biomolecules, without altering the morphology and topography of the samples. PEG coatings inhibited protein adsorption and osteoblast-like (SaOS-2) attachment; however, the presence of cell adhesive domains rescued osteoblast adhesion, yielding higher values of cell attachment and spreading compared to controls (p < 0.05). Finally, the antibacterial potential of the coating was measured by live/dead assays and SEM using S. sanguinis as a model of early colonizer in oral biofilms. The presence of PEG layers significantly reduced bacterial attachment on the surfaces (p < 0.05). This antibacterial potential was further increased by the bactericidal peptide, yielding values of bacterial adhesion below 0.2% (p < 0.05). The balance between the risk of infection and the optimal osteointegration of a biomaterial is often described as “the race for the surface”, in which contaminating bacteria and host tissue cells compete to colonize the implant. In the present work, we have developed a multifunctional coating for a titanium surface that promotes the attachment and spreading of osteoblasts, while very efficiently inhibits bacterial colonization, thus holding promise for application in bone replacing applications.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Noves estratègies per la millora de les característiques biològiques dels implants dentals

Tesi per compendi de publicacions, amb diferents seccions retallades per drets dels editors. Aplicat embargament des de la data de lectura fins al 31de juliol de 2019Titanium (Ti) and its alloys are currently the materials chosen for many dental applications, mainly due to their optimum biocompatibility and excellent mechanical properties. Despite the success rates of dental implants, even nowadays, the risk of implant failure is still relevant, especially in long term periods. The main causes reported for this failure are the lack of osteointegration with the surrounding bone and the appearance of a biofilm that causes periimplantitis and therefore the loosening of the implant. To prevent infections related to dental implants, one possible strategy is the detection of the presence of bacteria in the initial stages of biofilm growth. Among all detection methods, impedimetric biosensors, which are cheap and easy to use, are the most promising tool in this field. For the design of the biosensor, antimicrobial peptides (AMPs), which are well-known components of the immune system and show a broad range of antibacterial activity, can be used to develop very effective biorecognition elements. Another approach, is to create antibacterial surfaces, to reduce bacterial colonization or to prevent its adhesion, by anchoring biomolecules with antibacterial properties. Regarding this, surface biofunctionalization of dental implants is a method that is also widely used to improve the interactions between cells and material and thus, improve the other problem found in dental implants: the lack of osteointegration. There are many methods to modify the surfaces of the implants and their interaction with the tissues, but chemical strategies based on the immobilization of organic biomolecules, such as peptide motifs, have shown very good results both in vitro and in vivo. Therefore, in this Thesis, two strategies are described to improve the viability of dental implants: a first one focused on the design of a biosensor for the detection of bacteria at an early stage of the biofilm development process; and a second that focuses on the improvement of the surface of the dental implant by means of the anchorage of organic biomolecules with multifunctionality.El Titani (Ti) i els seus aliatges són actualment els materials escollits per moltes aplicacions dentals, degut sobretot a la seva òptima biocompatibilitat i les seves excel·lents propietats mecàniques. Tot i les taxes d'èxit dels implants dentals, encara avui en dia, el risc de fallida de l'implant encara és rellevant, sobretot a llarg termini. Les principals causes reportades per aquesta fallida són la falta d'osteointegració amb l'os circumdant i l'aparició d'un biofilm que provoca la peri-implantitis i per tant, l'afluixament de l'implant. Per prevenir les infeccions relacionades amb implants dentals, una estratègia és la detecció de la presència de bacteris a les fases inicials del creixement del biofilm. D'entre tots els mètodes per a la detecció que existeixen, els biosensors impedimètrics, els quals són econòmics i fàcils d'usar, són l'eina més prometedora en aquest camp. Pel disseny del biosensor els pèptids antimicrobians (AMPs), que són components reconeguts del sistema immunitari i mostren un rang molt ampli d'activitat antibacteriana, es poden usar per desenvolupar elements de bioreconeixement molt efectius. Una altra aproximació és crear superfícies antibacterianes, per reduir l'adhesió dels bacteris o bé evitar-ne la seva adhesió, mitjançant l'ancoratge de biomolècules amb propietats antibacterianes. Seguint aquesta línia, la biofuncionalització de superfícies dels implants dentals és un mètode molt usat també per millorar les interaccions entre cèl·lules i material i millorar així l'altre problema que trobem en els implants dentals: la falta d'osteointegració. Existeixen molts mètodes per modificar les superfícies dels implants i la seva interacció amb els teixits, però les estratègies químiques basades en la immobilització de biomolècules orgàniques, com motius peptídics, ha demostrat uns molt bons resultats tant in vitro com in vivo. Per tant, en aquesta Tesis es descriuen dues estratègies per millorar la viabilitat dels implants dentals: una primera enfocada en el disseny d'un biosensor per a la detecció de les bactèries en una fase inicial del procés de desenvolupament de biofilm; i una segona que es focalitza en la millora de la superfície de l'implant dental mitjançant l'ancoratge de biomolècules orgàniques amb diferents funcionalitats.Postprint (published version

Noves estratègies per la millora de les característiques biològiques dels implants dentals

Titanium (Ti) and its alloys are currently the materials chosen for many dental applications, mainly due to their optimum biocompatibility and excellent mechanical properties. Despite the success rates of dental implants, even nowadays, the risk of implant failure is still relevant, especially in long term periods. The main causes reported for this failure are the lack of osteointegration with the surrounding bone and the appearance of a biofilm that causes periimplantitis and therefore the loosening of the implant. To prevent infections related to dental implants, one possible strategy is the detection of the presence of bacteria in the initial stages of biofilm growth. Among all detection methods, impedimetric biosensors, which are cheap and easy to use, are the most promising tool in this field. For the design of the biosensor, antimicrobial peptides (AMPs), which are well-known components of the immune system and show a broad range of antibacterial activity, can be used to develop very effective biorecognition elements. Another approach, is to create antibacterial surfaces, to reduce bacterial colonization or to prevent its adhesion, by anchoring biomolecules with antibacterial properties. Regarding this, surface biofunctionalization of dental implants is a method that is also widely used to improve the interactions between cells and material and thus, improve the other problem found in dental implants: the lack of osteointegration. There are many methods to modify the surfaces of the implants and their interaction with the tissues, but chemical strategies based on the immobilization of organic biomolecules, such as peptide motifs, have shown very good results both in vitro and in vivo. Therefore, in this Thesis, two strategies are described to improve the viability of dental implants: a first one focused on the design of a biosensor for the detection of bacteria at an early stage of the biofilm development process; and a second that focuses on the improvement of the surface of the dental implant by means of the anchorage of organic biomolecules with multifunctionality.El Titani (Ti) i els seus aliatges són actualment els materials escollits per moltes aplicacions dentals, degut sobretot a la seva òptima biocompatibilitat i les seves excel·lents propietats mecàniques. Tot i les taxes d'èxit dels implants dentals, encara avui en dia, el risc de fallida de l'implant encara és rellevant, sobretot a llarg termini. Les principals causes reportades per aquesta fallida són la falta d'osteointegració amb l'os circumdant i l'aparició d'un biofilm que provoca la peri-implantitis i per tant, l'afluixament de l'implant. Per prevenir les infeccions relacionades amb implants dentals, una estratègia és la detecció de la presència de bacteris a les fases inicials del creixement del biofilm. D'entre tots els mètodes per a la detecció que existeixen, els biosensors impedimètrics, els quals són econòmics i fàcils d'usar, són l'eina més prometedora en aquest camp. Pel disseny del biosensor els pèptids antimicrobians (AMPs), que són components reconeguts del sistema immunitari i mostren un rang molt ampli d'activitat antibacteriana, es poden usar per desenvolupar elements de bioreconeixement molt efectius. Una altra aproximació és crear superfícies antibacterianes, per reduir l'adhesió dels bacteris o bé evitar-ne la seva adhesió, mitjançant l'ancoratge de biomolècules amb propietats antibacterianes. Seguint aquesta línia, la biofuncionalització de superfícies dels implants dentals és un mètode molt usat també per millorar les interaccions entre cèl·lules i material i millorar així l'altre problema que trobem en els implants dentals: la falta d'osteointegració. Existeixen molts mètodes per modificar les superfícies dels implants i la seva interacció amb els teixits, però les estratègies químiques basades en la immobilització de biomolècules orgàniques, com motius peptídics, ha demostrat uns molt bons resultats tant in vitro com in vivo. Per tant, en aquesta Tesis es descriuen dues estratègies per millorar la viabilitat dels implants dentals: una primera enfocada en el disseny d'un biosensor per a la detecció de les bactèries en una fase inicial del procés de desenvolupament de biofilm; i una segona que es focalitza en la millora de la superfície de l'implant dental mitjançant l'ancoratge de biomolècules orgàniques amb diferents funcionalitats

Novel metamaterial filters Using HTS materials for radio astronomy (Implementation in CPW technology)

Projecte realitzat en col.laboració amb el centre INAOEEl objetivo principal es diseñar un filtro que permita eliminar la banda de telefonía móvil IMT-2000, dentro de una banda de paso de 0 a 1.8 GHz. Esta banda permite estudiar diferentes l´ıneas espectrales de diferentes sustancias de interés en el ámbito de la radioastronomía (ver tabla 1.1). Concretamente las frecuencias de interés van de 327 MHz a 1722 MHz. Para cumplir este objetivo se propone la implementación de dos filtros Casi- Elípticos de 4 polos, que cumplan con nuestras especificaciones, usando estructuras metamateriales y materiales HTS (uno en microstrip y el otro en coplanar). Esto genera los siguientes objetivos secundarios: Estudiar el funcionamiento y el diseño de las estructuras metamateriales. Aprender a realizar dispositivos utilizando materiales HTS. Repasar la teoría de filtros y ampliarla hacia nuestra área de interés (filtros Casi-Elípticos). Implementar un primer filtro de tipo Chebyshev para que sirva de base en la elaboración de los filtros Casi-Elípticos. Diseñar los dos filtros Casi-Elípticos de 4 polos (uno en microstrip y el otro en coplanar)

Noves estratègies per la millora de les característiques biològiques dels implants dentals

Titanium (Ti) and its alloys are currently the materials chosen for many dental applications, mainly due to their optimum biocompatibility and excellent mechanical properties. Despite the success rates of dental implants, even nowadays, the risk of implant failure is still relevant, especially in long term periods. The main causes reported for this failure are the lack of osteointegration with the surrounding bone and the appearance of a biofilm that causes periimplantitis and therefore the loosening of the implant. To prevent infections related to dental implants, one possible strategy is the detection of the presence of bacteria in the initial stages of biofilm growth. Among all detection methods, impedimetric biosensors, which are cheap and easy to use, are the most promising tool in this field. For the design of the biosensor, antimicrobial peptides (AMPs), which are well-known components of the immune system and show a broad range of antibacterial activity, can be used to develop very effective biorecognition elements. Another approach, is to create antibacterial surfaces, to reduce bacterial colonization or to prevent its adhesion, by anchoring biomolecules with antibacterial properties. Regarding this, surface biofunctionalization of dental implants is a method that is also widely used to improve the interactions between cells and material and thus, improve the other problem found in dental implants: the lack of osteointegration. There are many methods to modify the surfaces of the implants and their interaction with the tissues, but chemical strategies based on the immobilization of organic biomolecules, such as peptide motifs, have shown very good results both in vitro and in vivo. Therefore, in this Thesis, two strategies are described to improve the viability of dental implants: a first one focused on the design of a biosensor for the detection of bacteria at an early stage of the biofilm development process; and a second that focuses on the improvement of the surface of the dental implant by means of the anchorage of organic biomolecules with multifunctionality.El Titani (Ti) i els seus aliatges són actualment els materials escollits per moltes aplicacions dentals, degut sobretot a la seva òptima biocompatibilitat i les seves excel·lents propietats mecàniques. Tot i les taxes d'èxit dels implants dentals, encara avui en dia, el risc de fallida de l'implant encara és rellevant, sobretot a llarg termini. Les principals causes reportades per aquesta fallida són la falta d'osteointegració amb l'os circumdant i l'aparició d'un biofilm que provoca la peri-implantitis i per tant, l'afluixament de l'implant. Per prevenir les infeccions relacionades amb implants dentals, una estratègia és la detecció de la presència de bacteris a les fases inicials del creixement del biofilm. D'entre tots els mètodes per a la detecció que existeixen, els biosensors impedimètrics, els quals són econòmics i fàcils d'usar, són l'eina més prometedora en aquest camp. Pel disseny del biosensor els pèptids antimicrobians (AMPs), que són components reconeguts del sistema immunitari i mostren un rang molt ampli d'activitat antibacteriana, es poden usar per desenvolupar elements de bioreconeixement molt efectius. Una altra aproximació és crear superfícies antibacterianes, per reduir l'adhesió dels bacteris o bé evitar-ne la seva adhesió, mitjançant l'ancoratge de biomolècules amb propietats antibacterianes. Seguint aquesta línia, la biofuncionalització de superfícies dels implants dentals és un mètode molt usat també per millorar les interaccions entre cèl·lules i material i millorar així l'altre problema que trobem en els implants dentals: la falta d'osteointegració. Existeixen molts mètodes per modificar les superfícies dels implants i la seva interacció amb els teixits, però les estratègies químiques basades en la immobilització de biomolècules orgàniques, com motius peptídics, ha demostrat uns molt bons resultats tant in vitro com in vivo. Per tant, en aquesta Tesis es descriuen dues estratègies per millorar la viabilitat dels implants dentals: una primera enfocada en el disseny d'un biosensor per a la detecció de les bactèries en una fase inicial del procés de desenvolupament de biofilm; i una segona que es focalitza en la millora de la superfície de l'implant dental mitjançant l'ancoratge de biomolècules orgàniques amb diferents funcionalitats

Novel metamaterial filters Using HTS materials for radio astronomy (Implementation in CPW technology)

Projecte realitzat en col.laboració amb el centre INAOEEl objetivo principal es diseñar un filtro que permita eliminar la banda de telefonía móvil IMT-2000, dentro de una banda de paso de 0 a 1.8 GHz. Esta banda permite estudiar diferentes l´ıneas espectrales de diferentes sustancias de interés en el ámbito de la radioastronomía (ver tabla 1.1). Concretamente las frecuencias de interés van de 327 MHz a 1722 MHz. Para cumplir este objetivo se propone la implementación de dos filtros Casi- Elípticos de 4 polos, que cumplan con nuestras especificaciones, usando estructuras metamateriales y materiales HTS (uno en microstrip y el otro en coplanar). Esto genera los siguientes objetivos secundarios: Estudiar el funcionamiento y el diseño de las estructuras metamateriales. Aprender a realizar dispositivos utilizando materiales HTS. Repasar la teoría de filtros y ampliarla hacia nuestra área de interés (filtros Casi-Elípticos). Implementar un primer filtro de tipo Chebyshev para que sirva de base en la elaboración de los filtros Casi-Elípticos. Diseñar los dos filtros Casi-Elípticos de 4 polos (uno en microstrip y el otro en coplanar)

Novel metamaterial filters Using HTS materials for radio astronomy (Implementation in CPW technology)

Projecte realitzat en col.laboració amb el centre INAOEEl objetivo principal es diseñar un filtro que permita eliminar la banda de telefonía móvil IMT-2000, dentro de una banda de paso de 0 a 1.8 GHz. Esta banda permite estudiar diferentes l´ıneas espectrales de diferentes sustancias de interés en el ámbito de la radioastronomía (ver tabla 1.1). Concretamente las frecuencias de interés van de 327 MHz a 1722 MHz. Para cumplir este objetivo se propone la implementación de dos filtros Casi- Elípticos de 4 polos, que cumplan con nuestras especificaciones, usando estructuras metamateriales y materiales HTS (uno en microstrip y el otro en coplanar). Esto genera los siguientes objetivos secundarios: Estudiar el funcionamiento y el diseño de las estructuras metamateriales. Aprender a realizar dispositivos utilizando materiales HTS. Repasar la teoría de filtros y ampliarla hacia nuestra área de interés (filtros Casi-Elípticos). Implementar un primer filtro de tipo Chebyshev para que sirva de base en la elaboración de los filtros Casi-Elípticos. Diseñar los dos filtros Casi-Elípticos de 4 polos (uno en microstrip y el otro en coplanar)