Enligt Världshälsoorganisationen, över 216 miljoner människor infekterades med malaria 2016, och 445, 000 individer dog av sjukdomen. Nyckeln till att lösa denna hälsokris är diagnostik i ett tidigt skede när malariaterapi är som mest effektiv. En ny prototyp för ett bärbart instrument som kan detektera malaria i tidigt skede har utvecklats av ett team av forskare vid USC Viterbi School of Engineering.

Det finns två vanliga sätt att diagnostisera malaria - men båda har begränsningar. Den första innebär att man tar ett blodprov från en person och tittar på det under ett mikroskop efter röda blodkroppar som har infekterats med malariaparasiten. Det handlar om att räkna celler – vilket är manuellt intensivt och beroende av att teknikern läser av blodutstrykarna. Det andra tillvägagångssättet, känt som det snabba diagnostiska testet (RDT), fungerar på cirka 15 minuter. Dock, utan kylning, RDT kan förstöra som mjölk eller ägg.

"Malaria påverkar främst lågresursmiljöer där hantering av leveranskedjor är svår och tillgång till ström kan vara opålitlig. Därför, en effektiv malariadiagnostik måste vara oberoende av dessa, "sa motsvarande författare Andrea Armani, Ray Irani -stolen i teknik- och materialvetenskap vars laboratorium ligger i det nya USC Michelson Center for Convergent Bioscience.

Fördelar med PODS

Den portabla optiska diagnostiksystemet (PODS) prototypen utvecklad av USC Viterbis ingenjörer Andrea Armani, Samantha McBirney, Dongyu Chen, och Alexis Scholtz, upptäcker en biprodukt som genereras av alla arter av malariaparasiten. Som sådan, det är en snabb screening för alla malariastammar.

PODS-instrumentet utformades för att lösa de utmaningar som begränsar nuvarande system. För att minimera storleken, vikt, och effektkrav utan att offra prestanda, varje aspekt beaktades. Den nuvarande prototypen väger mindre än 10 pund, är 12 gånger 10 tum (storleken på en stor skokartong) och kan drivas av ett batteri i åtta timmar. Dessutom, PODS designades för att kräva minimal provbearbetning och hantering, samt eliminera behovet av sekundära kemikalier med strikta lagringskrav. Detta gör enheten särskilt lämpad för miljöer med låga resurser.

Slutresultatet:Den nuvarande prototypen som utvecklats av USC-forskare kan analysera en obearbetad, helblodsprov på 10-15 minuter. Med endast 500 μL blod (fem till sju droppar), det kan uppnå känslighetsnivåer som behövs för en tidig diagnos.

"Med PODS, vi kan göra snabbt, bred befolkningsscreening för malaria i miljöer med låga resurser. I kombination med för närvarande tillgängliga läkemedel, detta kan representera en vändpunkt i den globala kampen mot malaria, säger Armani.

Hur enheten fungerar

Malariainfekterade myggor infekterar mänskliga värdar med parasiten. Dess primära näringskälla är hemoglobin, en del av röda blodkroppar. När parasiten smälter hemoglobin, det skapar vad som kallas hem som en biprodukt.

"Medan hem är mycket giftigt för både parasiten och dess värd, parasiten har hittat ett "kryphål" runt detta genom att aggregera hem till en olöslig nanokristall som kallas hemozoin. Till skillnad från alla andra naturligt förekommande material i blodet, hemozoin är magnetiskt, säger huvudförfattaren, meduppfinnare, och nyligen genomförd biomedicinsk teknik Ph.D. examen, Samantha McBirney.

Eftersom mängden hemozoin i blodet är direkt relaterad till hur långt malariainfektionen har fortskridit, det är en idealisk indikator på infektion. Dock, att upptäcka några hemozoinnanopartiklar i blodet är extremt utmanande eftersom blod har många komponenter som kan störa mätningen. För att övervinna detta problem, forskarna tog inspiration från de senaste upptäckterna inom personlig medicin och utnyttjade nanopartiklarnas magnetiska beteende i sin diagnostiska design.

PODS har tre huvudkomponenter:en laser, en detektor (för att upptäcka ljus), och en magnet. När ett blodprov placeras mellan lasern och detektorn, mängden ljus som tar sig till detektorn minskar när blodet blockerar det. Om hemozoin är närvarande, ännu mindre ljus lyser igenom. Vid höga koncentrationer även i blod, det är lätt att se om hemozoin är närvarande eftersom nanokristallen är mycket bra på att blockera ljus. Dock, när koncentrationerna minskar till värden som tyder på malaria i tidigt stadium, det blir svårare att upptäcka förekomsten av hemozoin. (Dessutom, allas blod absorberar ljus lite olika, komplicerar mätningen ytterligare.)

De senaste framstegen inom personlig medicin för cancer har visat vikten av att inte förlita sig på statistiska medelvärden för att fastställa "normala" eller "hälsosamma, " riktmärken utan istället med hjälp av en patients eget prov. Normalt, detta tillvägagångssätt är extremt svårt att genomföra, eftersom det kräver prover från patienten före sjukdom. Dock, i diagnostiken utvecklad av USC-forskare, denna strategi kan tillämpas genom att ta två mätningar:en med nanopartiklarna och en utan nanopartiklar.

Genom att applicera en magnet, det är möjligt att manipulera och flytta hemozoinpartiklarna i ett provrör runt, eller flytta dem in och ut ur laserstrålen. På det här sättet, ett enda prov kan användas för att utföra två mätningar, och varje diagnos är personlig. Om hemozoin är närvarande, även i små koncentrationer, signalerna förändras. I genomsnitt, det tar mellan 10 och 15 minuter för signalen att stabiliseras, och en större skillnad mellan de två mätningarna tyder på att malaria har utvecklats längre.

"PODS bygger på ett mycket enkelt designkoncept. Om det finns hemozoin, då måste det finnas malaria, sade Armani, "Den utmanande delen var att skilja de små hemozoinnanopartiklarna från allt annat i helblodsprovet."

Designfilosofi

Forskarna använde en militär designstrategi, avsiktligt utforma enheten för att försöka använda billig, förvaringskomponenter och kräver inga reagenser. Om en komponent misslyckas, ingenjörerna ville se till att det inte var nödvändigt att söka efter en anpassad leverantör eller en enda källleverantör.

"Alla delar är lättillgängliga och lätta att byta ut, säger McBirney.

McBirney drevs till att arbeta med just detta problem., "Malaria kanske inte oroar oss som bor i utvecklade länder, det är fortfarande den vanligaste dödsorsaken i världen, och av de hundratusentals döda varje år, nästan 70 % av dessa är barn under 5 år. Det här är inte dödsfall som inträffat under de senaste fem åren av livet, när någon redan har levt ut sina förhoppningar och drömmar, när någon redan har en familj och har levt sitt liv fullt ut – det är dödsfall som inträffar innan ett barn ens vet sin plats i denna värld, innan han/hon ens vet varför han/hon är här. Det här är hjärtskärande. Om vi ​​kan spela ens den minsta roll i utrotning, det skulle vara fantastiskt."

Nästa steg

Forskarna arbetar nu med nästa generation av enheten för att förbättra dess robusthet och ytterligare minska provvolymen till under 200 μL, (en till två droppar) blod. De förväntar sig att eliminera den anslutna bärbara datorn så att enheten kan fungera i över 30 timmar med ett externt batteri eller vara handdriven.

Artikeln om denna forskning, "Bärbar diagnostik för malariadetektering i låga resurser, " finns med i ACS-sensorer .