Según la Organización Mundial de la Salud, más de 216 millones de personas se infectaron con malaria en 2016, y 445,000 personas murieron a causa de la enfermedad. La clave para resolver esta crisis de salud es el diagnóstico en etapa temprana cuando la terapéutica de la malaria es más efectiva. Un nuevo prototipoun equipo de investigadores de la USC Viterbi School of Engineering ha desarrollado un instrumento portátil capaz de detectar la malaria en etapa temprana.
Hay dos formas estándar de diagnosticar la malaria, pero ambas tienen limitaciones. La primera consiste en tomar una muestra de sangre de una persona y observarla bajo un microscopio para detectar glóbulos rojos que han sido infectados con el parásito de la malaria. Esto implica contarcélulas, que es intensivo manualmente y depende del técnico que lee los frotis de sangre. El segundo enfoque, conocido como la prueba de diagnóstico rápido RDT, funciona en aproximadamente 15 minutos. Sin embargo, sin refrigeración, los RDT pueden estropearse como la leche o los huevos.
"La malaria afecta principalmente los entornos de bajos recursos donde la gestión de la cadena de suministro es difícil y el acceso al poder puede ser poco confiable. Por lo tanto, un diagnóstico eficaz de la malaria debe ser independiente de estos", dijo el autor correspondiente Andrea Armani, el presidente de Ray Irani en Ingeniería yCiencia de Materiales cuyo laboratorio se encuentra en el nuevo Centro de USC Michelson para Biociencia Convergente.
Ventajas de PODS
El prototipo del sistema de diagnóstico óptico portátil PODS desarrollado por los ingenieros de USC Viterbi, Andrea Armani, Samantha McBirney, Dongyu Chen y Alexis Scholtz, detecta un subproducto generado por todas las especies del parásito de la malaria. Como tal, es una detección rápida detodas las cepas de malaria.
El instrumento PODS fue diseñado para resolver los desafíos que limitan los sistemas actuales. Para minimizar el tamaño, el peso y los requisitos de potencia sin sacrificar el rendimiento, se consideró cada aspecto. El prototipo actual pesa menos de 10 libras, mide 12 por 10 pulgadas el tamañode una caja de zapatos grande y puede funcionar con una batería durante ocho horas. Además, PODS fue diseñado para requerir un procesamiento y manejo de muestras mínimos, así como eliminar la necesidad de productos químicos secundarios con requisitos estrictos de almacenamiento. Esto hace que el dispositivo sea particularmente adecuadoa entornos de bajos recursos.
El resultado final: el prototipo actual desarrollado por investigadores de la USC puede analizar una muestra de sangre entera no procesada en 10-15 minutos. Con solo 500? L de sangre cinco a siete gotas, puede alcanzar los niveles de sensibilidad necesarios para un inicio temprano-diagnóstico del escenario.
"Con PODS, podemos hacer un cribado rápido y amplio de la población para la malaria en entornos de bajos recursos. Cuando se combina con las terapias disponibles actualmente, esto podría representar un punto de inflexión en la lucha mundial contra la malaria", dice Armani.
Cómo funciona el dispositivo
Los mosquitos infectados con malaria infectan a los huéspedes humanos con el parásito. Su principal fuente de nutrientes es la hemoglobina, un componente de los glóbulos rojos. A medida que el parásito digiere la hemoglobina, crea lo que se conoce como hemo como subproducto.
"Si bien el hemo es altamente tóxico tanto para el parásito como para su huésped, el parásito ha descubierto un 'vacío' alrededor de esto al agregar el hemo en un nanocristal insoluble conocido como hemozoina. A diferencia de todos los otros materiales que se encuentran en la sangre de forma natural, la hemozoinaes magnético ", dice Samantha McBirney, autora principal, co-inventora y recién graduada del doctorado en ingeniería biomédica.
Debido a que la cantidad de hemozoína en la sangre está directamente relacionada con el progreso de la infección por malaria, es un indicador ideal de infección. Sin embargo, detectar algunas nanopartículas de hemozoína en la sangre es extremadamente difícil porque la sangre tiene muchos componentes que pueden interferircon la medición. Para superar este problema, los investigadores se inspiraron en descubrimientos recientes en medicina personalizada y aprovecharon el comportamiento magnético de las nanopartículas en su diseño de diagnóstico.
PODS tiene tres componentes principales: un láser, un detector para detectar luz y un imán. Cuando se coloca una muestra de sangre entre el láser y el detector, la cantidad de luz que llega al detector disminuye a medida quela sangre lo bloquea. Si hay hemozoína presente, aún brilla menos luz. A altas concentraciones, incluso en la sangre, es evidente si la hemozoína está presente porque el nanocristal es muy bueno para bloquear la luz. Sin embargo, a medida que las concentraciones disminuyen a valores indicativos demalaria en etapa temprana, se hace más difícil detectar la presencia de hemozoína además, la sangre de todos absorbe la luz de manera un poco diferente, lo que complica aún más la medición.
Los avances recientes en la medicina personalizada para el cáncer han demostrado la importancia de no depender de promedios estadísticos para establecer puntos de referencia "normales" o "saludables", sino utilizar la propia muestra de un paciente. Normalmente, este enfoque es extremadamente difícil de implementar, ya querequiere obtener muestras de la enfermedad previa del paciente. Sin embargo, en el diagnóstico desarrollado por investigadores de la USC, esta estrategia se puede aplicar tomando dos medidas: una con las nanopartículas y otra sin las nanopartículas.
Al aplicar un imán, es posible manipular y mover las partículas de hemozoína dentro de un tubo de ensayo, o moverlas dentro y fuera del rayo láser. De esta manera, se puede usar una sola muestra para realizar dos mediciones, ycada diagnóstico es personalizado. Si hay hemozoína presente, incluso en concentraciones mínimas, las señales cambian. En promedio, la señal tarda entre 10 y 15 minutos en estabilizarse, y una diferencia mayor entre las dos mediciones indica que la malaria ha progresado más.
"PODS funciona con un concepto de diseño muy simple. Si hay hemozoina, entonces debe haber malaria", dijo Armani, "la parte difícil fue distinguir las pequeñas nanopartículas de hemozoína de todo lo demás en la muestra de sangre completa".
Filosofía de diseño
Los investigadores emplearon una estrategia de diseño militar, diseñando intencionalmente el dispositivo para tratar de usar componentes de bajo costo y listos para usar y no requieren reactivos. Si un componente falla, los ingenieros querían asegurarse de que no fuera necesario buscarun proveedor personalizado o un proveedor de origen único.
"Todas las partes son fácilmente accesibles y fáciles de reemplazar", dice McBirney.
McBirney fue impulsado a trabajar en este problema en particular. "La malaria puede no ser una preocupación para quienes vivimos en países desarrollados, sigue siendo la principal causa de muerte en el mundo y de los cientos de miles de muertes cada año, casi el 70% de ellos son niños menores de 5 años. Estas no son muertes ocurridas en los últimos cinco años de vida, cuando alguien ya ha vivido sus esperanzas y sueños, cuando alguien ya tiene una familia y ha vivido su vida./ su vida al máximo: estas son muertes que ocurren antes de que un niño conozca su lugar en este mundo, incluso antes de que él / ella sepa por qué está aquí. Esto es desgarrador. Si podemos desempeñar el papel más pequeñoen erradicación, eso sería tremendo "
próximos pasos
Los investigadores ahora están trabajando en la próxima generación del dispositivo para mejorar su robustez y reducir aún más el volumen de la muestra a menos de 200? L una o dos gotas de sangre. Esperan eliminar el portátil conectado para que el dispositivo puedaoperar durante más de 30 horas con una batería externa o ser alimentado manualmente.
El artículo que presenta esta investigación, "Diagnóstico portátil para la detección de la malaria en entornos de bajos recursos", aparece en sensores ACS .
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad del Sur de California . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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