Nyt bærbart malariascreeningsinstrument udviklet

Ifølge Verdenssundhedsorganisationen, over 216 millioner mennesker blev smittet med malaria i 2016, og 445, 000 personer døde af sygdommen. Nøglen til at løse denne sundhedskrise er diagnosticering på et tidligt stadium, når malariaterapi er mest effektiv. En ny prototype til et bærbart instrument, der kan opdage malaria i tidlige stadier, er blevet udviklet af et team af forskere ved USC Viterbi School of Engineering.

Der er to standard måder at diagnosticere malaria på - men begge har begrænsninger. Den første involverer at tage en blodprøve fra en person og se på den under et mikroskop for røde blodlegemer, der er blevet inficeret med malariaparasitten. Dette involverer optælling af celler - hvilket er manuelt intensivt og afhængigt af, at teknikeren læser blodudstrygningerne. Den anden tilgang, kendt som den hurtige diagnostiske test (RDT), virker på cirka 15 minutter. Imidlertid, uden køling, RDT'er kan ødelægge som mælk eller æg.

"Malaria påvirker først og fremmest miljøer med lave ressourcer, hvor styring af forsyningskæder er vanskelig, og adgang til strøm kan være upålidelig. Derfor kan en effektiv malariadiagnostik skal være uafhængig af disse, " sagde den tilsvarende forfatter Andrea Armani, Ray Irani Chair i Engineering and Materials Science, hvis laboratorium er placeret i det nye USC Michelson Center for Convergent Bioscience.

Fordele ved PODS

Den bærbare optiske diagnosesystem (PODS) prototype udviklet af USC Viterbi ingeniører Andrea Armani, Samantha McBirney, Dongyu Chen, og Alexis Scholtz, registrerer et biprodukt genereret af alle arter af malariaparasitten. Som sådan, det er en hurtig screening for alle malariastammer.

PODS-instrumentet blev designet til at løse de udfordringer, der begrænser nuværende systemer. For at minimere størrelsen, vægt, og strømkrav uden at ofre ydeevne, alle aspekter blev overvejet. Den nuværende prototype vejer mindre end 10 pund, er 12 gange 10 tommer (på størrelse med en stor skoæske) og kan drives af et batteri i otte timer. Ud over, PODS blev designet til at kræve minimal prøvebehandling og håndtering, samt eliminere behovet for sekundære kemikalier med strenge opbevaringskrav. Dette gør enheden særligt velegnet til miljøer med lav ressource.

Slutresultatet:Den nuværende prototype udviklet af USC-forskere kan analysere en ubehandlet, fuldblodsprøve på 10-15 minutter. Med kun 500 μL blod (fem til syv dråber), det kan opnå følsomhedsniveauer, der er nødvendige for en tidlig diagnose.

"Med PODS, vi kan gøre hurtigt, bred befolkningsscreening for malaria i miljøer med lav ressource. Når det kombineres med aktuelt tilgængelige terapier, dette kunne repræsentere et vendepunkt i den globale kamp mod malaria, " siger Armani.

Sådan fungerer enheden

Malaria-inficerede myg inficerer menneskelige værter med parasitten. Dens primære næringsstofkilde er hæmoglobin, en bestanddel af røde blodlegemer. Når parasitten fordøjer hæmoglobin, det skaber det, der er kendt som hæm som et biprodukt.

"Mens hæm er meget giftigt for både parasitten og dens vært, parasitten har fundet ud af et 'smuthul' omkring dette ved at samle hæm til en uopløselig nanokrystal kendt som hæmozoin. I modsætning til alle andre naturligt forekommende materialer i blodet, hæmozoin er magnetisk, " siger hovedforfatter, medopfinder, og nyere biomedicinsk ingeniør Ph.D. bestå, Samantha McBirney.

Fordi mængden af ​​hæmozoin i blodet er direkte relateret til, hvor langt malariainfektionen er nået, det er en ideel indikator for infektion. Imidlertid, Det er ekstremt udfordrende at opdage nogle få hemozoin -nanopartikler i blod, fordi blod har mange komponenter, der kan forstyrre målingen. For at overvinde dette problem, forskerne tog inspiration fra de seneste opdagelser inden for personlig medicin og udnyttede nanopartiklernes magnetiske adfærd i deres diagnostiske design.

PODS har tre primære komponenter:en laser, en detektor (for at detektere lys), og en magnet. Når en blodprøve placeres mellem laseren og detektoren, mængden af ​​lys, der kommer til detektoren, falder, efterhånden som blodet blokerer den. Hvis hæmozoin er til stede, endnu mindre lys skinner igennem. Ved høje koncentrationer selv i blod, det er let tydeligt, om hæmozoin er til stede, fordi nanokrystallen er meget god til at blokere lys. Imidlertid, efterhånden som koncentrationerne falder til værdier, der indikerer malaria på et tidligt stadium, det bliver sværere at opdage tilstedeværelsen af ​​hæmozoin. (Derudover alles blod optager lys lidt anderledes, yderligere komplicerer målingen.)

Nylige fremskridt inden for personlig medicin mod kræft har vist vigtigheden af ​​ikke at stole på statistiske gennemsnit for at fastslå "normal" eller "sund, "benchmarks, men i stedet ved hjælp af en patients egen prøve. Normalt denne fremgangsmåde er ekstremt vanskelig at implementere, da det kræver indhentning af prøver fra patientens præ-sygdom. Imidlertid, i diagnostik udviklet af USC-forskere, denne strategi kan anvendes ved at tage to målinger:en med nanopartikler og en uden nanopartikler.

Ved at anvende en magnet, det er muligt at manipulere og flytte hæmozoinpartiklerne i et reagensglas rundt, eller flyt dem ind og ud af laserstrålen. På denne måde en enkelt prøve kan bruges til at udføre to målinger, og hver diagnose er personlig. Hvis hæmozoin er til stede, selv i små koncentrationer, signalerne ændrer sig. Gennemsnitlig, det tager mellem 10 og 15 minutter for signalet at stabilisere sig, og en større forskel mellem de to målinger indikerer, at malaria er kommet længere.

"PODS opererer på et meget simpelt designkoncept. Hvis der er hæmozoin, så må der være malaria, " sagde Armani, "Den udfordrende del var at skelne de små hæmozoin-nanopartikler fra alt andet i fuldblodsprøven."

Design Filosofi

Forskerne brugte en militær designstrategi, bevidst at designe enheden til at prøve at bruge billig, komponenter på hylden og kræver ikke reagenser. Hvis en komponent fejler, ingeniørerne ville sikre, at det ikke var nødvendigt at opsøge en specialleverandør eller en enkelt leverandør.

"Alle delene er let tilgængelige og nemt udskiftes, " siger McBirney.

McBirney blev drevet til at arbejde med dette særlige problem., "Malaria er måske ikke en bekymring for dem af os, der bor i udviklede lande, det er stadig den største dødsårsag i verden, og af de hundredtusindvis af dødsfald hvert år, næsten 70 % af dem er børn under 5 år. Det er ikke dødsfald, der er sket i de sidste fem leveår, når nogen allerede har udlevet hans/hendes håb og drømme, når nogen allerede har en familie og har levet sit liv fuldt ud – disse er dødsfald, der sker før et barn overhovedet kender sin plads i denne verden, før han/hun overhovedet ved, hvorfor han/hun er her. Det er hjerteskærende. Hvis vi kan spille selv den mindste rolle i udryddelse, det ville være fantastisk."

Næste skridt

Forskerne arbejder nu på den næste generation af enheden for at forbedre dens robusthed og yderligere reducere prøvevolumenet til under 200 μL, (en til to dråber) blod. De forventer at fjerne den tilsluttede bærbare computer, så enheden kan fungere i over 30 timer med en ekstern batteripakke eller være hånddrevet.

Artiklen om denne forskning, "Bærbar diagnostik til malariadetektion i lav-ressourceindstillinger, " er med i ACS sensorer .