Abstract Since its invention in the 1970’s, the enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) has served as the “gold-standard” for blood and plasma protein biomarker quantification. However, ELISAs require significant amounts of sample preparation entailing multiple reagent additions, incubations, and washing steps, limiting their clinical usefulness in the context of diagnosis and prognosis of rapidly evolving medical conditions. In this work, we describe the ‘instant ELISA’ biosensor platform, a probe that can be exposed directly to blood or other biological samples and quantifies protein biomarkers within 15 minutes. The sensor leverages a novel affinity reagent termed ‘monolithic dual-antibody clamp’ (MDAC) which preserves the specificity, sensitivity, and generalizability of ELISA while also enabling rapid analysis of unprocessed blood and other complex matrices. Using MDAC in chicken media, we demonstrate picomolar quantification of the inflammatory marker tumor necrosis factor alpha (TNFα), as well as monocyte chemotactic protein (MCP)-1, a useful prognostic indicator of cytokine release syndrome (CRS) during chimeric antigen receptor (CAR) T-cell immunotherapy. Finally, we demonstrate MCP-1 quantification in plasma samples from patients who had undergone CAR T-cell treatment.

Abstract Current technology for measuring specific biomarkers – continuously in complex samples, without sample preparation – is limited to just handful of molecules such as glucose and blood oxygen. In this work, we present the first optical biosensor system that enables continuous detection of a wide range of biomarkers in complex samples, such as human plasma. Our system employs a modular duplex-bubble switch (DBS) architecture that converts aptamers into structure-switching fluorescence probes whose affinity and kinetics can be readily tuned. These DBS constructs are coupled to a fiber-optic detector that measures the fluorescence change only within an evanescent field, thereby minimizing the impact of background autofluorescence and enabling direct detection of analytes at physiologically relevant concentrations even in interferent-rich sample matrices. Using our system, we achieved continuous detection of dopamine in artificial cerebrospinal fluid for >24 hours with sub-second resolution and a limit of detection (LOD) of 1 µM. We subsequently demonstrated the system’s generalizability by configuring it to detect cortisol with nanomolar sensitivity in undiluted human plasma. Both sensors achieved LODs orders of magnitude lower than the K D of the DBS element, highlighting the potential to achieve sensitive detection even when using aptamers with modest affinity.