Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie, in 2016 raakten meer dan 216 miljoen mensen besmet met malaria, en 445, 000 mensen stierven aan de ziekte. De sleutel tot het oplossen van deze gezondheidscrisis is een vroege diagnose wanneer malariatherapieën het meest effectief zijn. Een nieuw prototype voor een draagbaar instrument dat malaria in een vroeg stadium kan detecteren, is ontwikkeld door een team van onderzoekers van de USC Viterbi School of Engineering.

Er zijn twee standaardmanieren om malaria te diagnosticeren, maar beide hebben beperkingen. De eerste is het nemen van een bloedmonster van een persoon en kijken onder een microscoop naar rode bloedcellen die zijn geïnfecteerd met de malariaparasiet. Dit omvat het tellen van cellen - wat handmatig intensief is en afhankelijk van de technicus die de bloeduitstrijkjes leest. De tweede benadering, bekend als de snelle diagnostische test (RDT), werkt in ongeveer 15 minuten. Echter, zonder koeling, RDT's kunnen bederven zoals melk of eieren.

"Malaria heeft vooral gevolgen voor omgevingen met weinig middelen, waar het beheer van de toeleveringsketen moeilijk is en de toegang tot stroom onbetrouwbaar kan zijn. een effectieve malariadiagnostiek moet hiervan onafhankelijk zijn, " zei corresponderende auteur Andrea Armani, de Ray Irani-leerstoel in Engineering and Materials Science, waarvan het laboratorium is gevestigd in het nieuwe USC Michelson Center for Convergent Bioscience.

Voordelen van PODS

Het prototype van het draagbare optische diagnosesysteem (PODS), ontwikkeld door de ingenieurs van USC Viterbi, Andrea Armani, Samantha McBirney, Dongyu Chen, en Alexis Scholtz, detecteert een bijproduct gegenereerd door alle soorten van de malariaparasiet. Als zodanig, het is een snelle screening op alle malariastammen.

Het PODS-instrument is ontworpen om de uitdagingen op te lossen die de huidige systemen beperken. Om de grootte te minimaliseren, gewicht, en stroomvereisten zonder prestatie op te offeren, elk aspect werd overwogen. Het huidige prototype weegt minder dan 10 pond, is 12 bij 10 inch (de grootte van een grote schoenendoos) en kan acht uur worden gevoed door een batterij. In aanvulling, PODS is ontworpen om minimale verwerking en behandeling van monsters te vereisen, evenals de noodzaak voor secundaire chemicaliën met strikte opslagvereisten te elimineren. Dit maakt het apparaat bijzonder geschikt voor omgevingen met weinig middelen.

Het eindresultaat:het huidige prototype ontwikkeld door USC-onderzoekers kan een onbewerkte, volbloedmonster in 10-15 minuten. Met slechts 500 μL bloed (vijf tot zeven druppels), het kan gevoeligheidsniveaus bereiken die nodig zijn voor een vroege diagnose.

"Met PODS, we kunnen snel, breed bevolkingsonderzoek naar malaria in omgevingen met weinig middelen. In combinatie met momenteel beschikbare therapieën, dit zou een omslagpunt kunnen zijn in de wereldwijde strijd tegen malaria, ' zegt Armani.

Hoe het apparaat werkt

Malaria-geïnfecteerde muggen infecteren menselijke gastheren met de parasiet. De primaire voedingsbron is hemoglobine, een bestanddeel van rode bloedcellen. Terwijl de parasiet hemoglobine verteert, het creëert wat bekend staat als heem als een bijproduct.

"Hoewel heem zeer giftig is voor zowel de parasiet als zijn gastheer, de parasiet heeft hier een 'maas in de wet' omheen bedacht door heem te aggregeren tot een onoplosbaar nanokristal dat bekend staat als hemozoïne. In tegenstelling tot alle andere natuurlijk voorkomende stoffen in het bloed, hemozoïne is magnetisch, " zegt hoofdauteur, mede-uitvinder, en recente biomedische technologie Ph.D. afstuderen, Samantha McBirney.

Omdat de hoeveelheid hemozoïne in het bloed direct gerelateerd is aan hoe ver de malaria-infectie is gevorderd, het is een ideale indicator van infectie. Echter, het detecteren van een paar hemozoïne-nanodeeltjes in bloed is een enorme uitdaging omdat bloed veel componenten bevat die de meting kunnen verstoren. Om dit probleem op te lossen, de onderzoekers lieten zich inspireren door recente ontdekkingen in gepersonaliseerde geneeskunde en maakten gebruik van het magnetische gedrag van de nanodeeltjes in hun diagnostisch ontwerp.

PODS heeft drie hoofdcomponenten:een laser, een detector (om licht te detecteren), en een magneet. Wanneer een bloedmonster tussen de laser en de detector wordt geplaatst, de hoeveelheid licht die de detector bereikt, neemt af naarmate het bloed het blokkeert. Als hemozoïne aanwezig is, er schijnt nog minder licht door. Bij hoge concentraties, zelfs in het bloed, het is snel duidelijk of hemozoïne aanwezig is, omdat het nanokristal heel goed is in het blokkeren van licht. Echter, naarmate de concentraties dalen tot waarden die wijzen op malaria in een vroeg stadium, het wordt moeilijker om de aanwezigheid van hemozoïne te detecteren. (Aanvullend, ieders bloed absorbeert licht een beetje anders, wat de meting nog ingewikkelder maakt.)

Recente ontwikkelingen in gepersonaliseerde geneeskunde voor kanker hebben aangetoond hoe belangrijk het is om niet te vertrouwen op statistische gemiddelden om "normale" of "gezonde, " benchmarks, maar in plaats daarvan met behulp van het eigen monster van een patiënt. Normaal gesproken deze aanpak is uiterst moeilijk te implementeren, omdat het het verkrijgen van monsters van de patiënt vóór de ziekte vereist. Echter, in de diagnostiek ontwikkeld door USC-onderzoekers, deze strategie kan worden toegepast door twee metingen te doen:één met de nanodeeltjes en één zonder de nanodeeltjes.

Door een magneet toe te passen, het is mogelijk om de hemozoïnedeeltjes in een reageerbuis te manipuleren en te verplaatsen, of beweeg ze in en uit de laserstraal. Op deze manier, een enkel monster kan worden gebruikt om twee metingen uit te voeren, en elke diagnose is gepersonaliseerd. Als hemozoïne aanwezig is, zelfs in minieme concentraties, de signalen veranderen. Gemiddeld, het duurt tussen de 10 en 15 minuten voordat het signaal is gestabiliseerd, en een groter verschil tussen de twee metingen geeft aan dat de malaria verder is gevorderd.

"PODS werkt op een heel eenvoudig ontwerpconcept. Als er hemozoïne is, dan moet er malaria zijn, " zei Armani, "Het uitdagende deel was het onderscheiden van de kleine hemozoïne-nanodeeltjes van al het andere in het volbloedmonster."

Ontwerpfilosofie

De onderzoekers gebruikten een militaire ontwerpstrategie, het opzettelijk ontwerpen van het apparaat om te proberen goedkope, kant-en-klare componenten en vereisen geen reagentia. Als een onderdeel uitvalt, de ingenieurs wilden ervoor zorgen dat het niet nodig was om op zoek te gaan naar een leverancier op maat of een leverancier van één enkele bron.

"Alle onderdelen zijn gemakkelijk toegankelijk en gemakkelijk te vervangen, ', zegt Mc Birney.

McBirney was gedreven om aan dit specifieke probleem te werken., "Malaria is misschien geen probleem voor degenen onder ons die in ontwikkelde landen wonen, het is nog steeds de belangrijkste doodsoorzaak ter wereld, en van de honderdduizenden doden per jaar, bijna 70% daarvan zijn kinderen onder de 5 jaar. Dit zijn geen sterfgevallen in de laatste vijf levensjaren, wanneer iemand zijn/haar hoop en dromen al heeft waargemaakt, wanneer iemand al een gezin heeft en zijn/haar leven ten volle heeft geleefd - dit zijn sterfgevallen die plaatsvinden voordat een kind zelfs maar zijn/haar plaats in deze wereld kent, voordat hij/zij weet waarom hij/zij hier is. Dit is hartverscheurend. Als we zelfs maar de kleinste rol kunnen spelen in de uitroeiing, dat zou geweldig zijn."

Volgende stappen

De onderzoekers werken nu aan de volgende generatie van het apparaat om de robuustheid te verbeteren en het monstervolume verder te verminderen tot minder dan 200 μL, (één tot twee druppels) bloed. Ze verwachten de aangesloten laptop te elimineren, zodat het apparaat meer dan 30 uur kan werken met een externe batterij of met de hand kan worden aangedreven.

Het artikel over dit onderzoek, "Draagbare diagnostiek voor malariadetectie in omgevingen met weinig middelen, " staat in ACS-sensoren .