Secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità, oltre 216 milioni di persone sono state infettate dalla malaria nel 2016, e 445, 000 persone sono morte a causa della malattia. La chiave per risolvere questa crisi sanitaria è la diagnosi precoce quando le terapie contro la malaria sono più efficaci. Un nuovo prototipo per uno strumento portatile in grado di rilevare la malaria in fase iniziale è stato sviluppato da un team di ricercatori della USC Viterbi School of Engineering.

Ci sono due modi standard per diagnosticare la malaria, ma entrambi hanno dei limiti. Il primo consiste nel prelevare un campione di sangue da una persona e osservarlo al microscopio per i globuli rossi che sono stati infettati dal parassita della malaria. Ciò comporta il conteggio delle cellule, che è manualmente intensivo e dipende dal tecnico che legge gli strisci di sangue. Il secondo approccio, noto come test diagnostico rapido (RDT), funziona in circa 15 minuti. Però, senza refrigerazione, Gli RDT possono rovinarsi come il latte o le uova.

"La malaria colpisce principalmente gli ambienti con poche risorse in cui la gestione della catena di approvvigionamento è difficile e l'accesso all'energia può essere inaffidabile. Pertanto, una diagnosi efficace della malaria deve essere indipendente da questi, " ha detto l'autore corrispondente Andrea Armani, la Ray Irani Chair in Engineering and Materials Science il cui laboratorio si trova nel nuovo USC Michelson Center for Convergent Bioscience.

Vantaggi dei PODS

Il prototipo del sistema di diagnostica ottica portatile (PODS) sviluppato dagli ingegneri della USC Viterbi Andrea Armani, Samantha McBirney, Dongyu Chen, e Alexis Scholtz, rileva un sottoprodotto generato da tutte le specie del parassita della malaria. Come tale, è uno screening rapido per tutti i ceppi di malaria.

Lo strumento PODS è stato progettato per risolvere le sfide che limitano i sistemi attuali. Per ridurre al minimo le dimensioni, il peso, e requisiti di alimentazione senza sacrificare le prestazioni, ogni aspetto è stato considerato. L'attuale prototipo pesa meno di 10 libbre, misura 12 x 10 pollici (le dimensioni di una grande scatola da scarpe) e può essere alimentato da una batteria per otto ore. Inoltre, PODS è stato progettato per richiedere una minima elaborazione e manipolazione del campione, oltre ad eliminare la necessità di prodotti chimici secondari con rigidi requisiti di stoccaggio. Ciò rende il dispositivo particolarmente adatto ad ambienti con poche risorse.

Il risultato finale:l'attuale prototipo sviluppato dai ricercatori dell'USC può analizzare un non elaborato, campione di sangue intero in 10-15 minuti. Con solo 500 μL di sangue (da cinque a sette gocce), può raggiungere i livelli di sensibilità necessari per una diagnosi precoce.

"Con PODS, possiamo fare rapidamente, ampio screening della popolazione per la malaria in ambienti con poche risorse. In combinazione con le terapie attualmente disponibili, questo potrebbe rappresentare un punto di svolta nella lotta globale contro la malaria, "dice Armani.

Come funziona il dispositivo

Le zanzare infette dalla malaria infettano gli ospiti umani con il parassita. La sua principale fonte di nutrienti è l'emoglobina, un componente dei globuli rossi. Quando il parassita digerisce l'emoglobina, crea ciò che è noto come eme come sottoprodotto.

"Mentre l'eme è altamente tossico sia per il parassita che per il suo ospite, il parassita ha scoperto una "scappatoia" attorno a questo aggregando l'eme in un nanocristallo insolubile noto come emozoina. A differenza di tutti gli altri materiali presenti in natura nel sangue, l'emozoina è magnetica, "dice l'autore principale, co-inventore, e il recente dottorato di ricerca in ingegneria biomedica. laureato, Samantha McBirney.

Poiché la quantità di emozoina nel sangue è direttamente correlata alla progressione dell'infezione da malaria, è un indicatore ideale di infezione. Però, rilevare alcune nanoparticelle di emozoina nel sangue è estremamente difficile perché il sangue ha molti componenti che possono interferire con la misurazione. Per superare questo problema, i ricercatori si sono ispirati alle recenti scoperte nella medicina personalizzata e hanno sfruttato il comportamento magnetico delle nanoparticelle nella loro progettazione diagnostica.

PODS ha tre componenti principali:un laser, un rilevatore (per rilevare la luce), e un magnete. Quando un campione di sangue viene posizionato tra il laser e il rilevatore, la quantità di luce che arriva al rivelatore diminuisce man mano che il sangue lo blocca. Se l'emozoina è presente, ancora meno luce traspare. Ad alte concentrazioni anche nel sangue, è subito evidente se l'emozoina è presente perché il nanocristallo è molto bravo a bloccare la luce. Però, quando le concentrazioni scendono a valori indicativi di malaria in stadio iniziale, diventa più difficile rilevare la presenza di emozoina. (Inoltre, il sangue di ognuno assorbe la luce in modo leggermente diverso, complicando ulteriormente la misurazione.)

I recenti progressi nella medicina personalizzata per il cancro hanno dimostrato l'importanza di non fare affidamento su medie statistiche per stabilire "normali" o "sane, " benchmark ma utilizzando invece il campione di un paziente. Normalmente, questo approccio è estremamente difficile da implementare, in quanto richiede l'ottenimento di campioni dal paziente pre-malattia. Però, nella diagnostica sviluppata dai ricercatori USC, questa strategia può essere applicata effettuando due misurazioni:una con le nanoparticelle e una senza le nanoparticelle.

Applicando un magnete, è possibile manipolare e spostare le particelle di emozoina all'interno di una provetta, o spostarli dentro e fuori dal raggio laser. In questo modo, un singolo campione può essere utilizzato per eseguire due misurazioni, e ogni diagnosi è personalizzata. Se l'emozoina è presente, anche in piccole concentrazioni, i segnali cambiano. In media, occorrono dai 10 ai 15 minuti affinché il segnale si stabilizzi, e una maggiore differenza tra le due misurazioni indica che la malaria è progredita ulteriormente.

"PODS opera su un concetto di design molto semplice. Se c'è emozoina, allora ci deve essere la malaria, " ha detto Armani, "La parte difficile è stata distinguere le minuscole nanoparticelle di emozoina da tutto il resto nel campione di sangue intero".

Filosofia del design

I ricercatori hanno impiegato una strategia di progettazione militare, progettando intenzionalmente il dispositivo per cercare di utilizzare poco costoso, componenti disponibili in commercio e non richiedono alcun reagente. Se un componente si guasta, gli ingegneri volevano assicurarsi che non fosse necessario cercare un fornitore personalizzato o un unico fornitore.

"Tutte le parti sono facilmente accessibili e facilmente sostituibili, " dice McBirney.

McBirney è stato spinto a lavorare su questo particolare problema., "La malaria potrebbe non essere un problema per quelli di noi che vivono nei paesi sviluppati, è ancora la prima causa di morte nel mondo, e delle centinaia di migliaia di morti ogni anno, quasi il 70% di questi sono bambini sotto i 5 anni. Queste non sono morti avvenute negli ultimi cinque anni di vita, quando qualcuno ha già vissuto le sue speranze e i suoi sogni, quando qualcuno ha già una famiglia e ha vissuto la sua vita al massimo, queste sono morti che accadono prima che un bambino conosca il suo posto in questo mondo, prima ancora di sapere perché è qui. Questo è straziante. Se possiamo svolgere anche il più piccolo ruolo nell'eradicazione, sarebbe tremendo".

Prossimi passi

I ricercatori stanno ora lavorando alla prossima generazione del dispositivo per migliorarne la robustezza e ridurre ulteriormente il volume del campione a meno di 200 μL, (una o due gocce) di sangue. Si aspettano di eliminare il laptop collegato in modo che il dispositivo possa funzionare per oltre 30 ore con una batteria esterna o essere alimentato a mano.

L'articolo che presenta questa ricerca, "Diagnostica portatile per il rilevamento della malaria in ambienti con risorse limitate, " è presente in Sensori ACS .