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 una etapa temprana, cuando los tratamientos contra la malaria son más efectivos. Un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería de la USC Viterbi ha desarrollado un nuevo prototipo de instrumento portátil capaz de detectar la malaria en una 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 mirarla con un microscopio en busca de glóbulos rojos que hayan sido infectados con el parásito de la malaria. Esto implica el recuento de células, que es manual intensivo y depende de que el técnico lea los frotis de sangre. El segundo enfoque, conocida como prueba de diagnóstico rápido (RDT), funciona en unos 15 minutos. Sin embargo, sin refrigeración, Las PDR pueden echarse a perder como la leche o los huevos.

"La malaria afecta principalmente a los entornos de bajos recursos donde la gestión de la cadena de suministro es difícil y el acceso a la energía puede ser poco confiable. Por lo tanto, un diagnóstico eficaz de la malaria debe ser independiente de estos, "dijo la autora correspondiente Andrea Armani, la Cátedra Ray Irani en Ingeniería y Ciencia de Materiales, cuyo laboratorio está ubicado en el nuevo Centro Michelson de Biociencia Convergente de la USC.

Ventajas de los 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 un cribado rápido para todas las cepas de paludismo.

El instrumento PODS fue diseñado para resolver los desafíos que limitan los sistemas actuales. Para minimizar el tamaño, peso, y los requisitos de potencia sin sacrificar el rendimiento, todos los aspectos fueron considerados. El prototipo actual pesa menos de 10 libras, mide 30 x 25 cm (el tamaño de una caja de zapatos grande) y puede funcionar con una batería durante ocho horas. Además, PODS fue diseñado para requerir un procesamiento y manipulación de muestras mínimos, además de eliminar la necesidad de productos químicos secundarios con estrictos requisitos de almacenamiento. Esto hace que el dispositivo sea especialmente adecuado para entornos de bajos recursos.

El resultado final:el prototipo actual desarrollado por investigadores de la USC puede analizar un muestra de sangre total en 10-15 minutos. Con solo 500 μL de sangre (cinco a siete gotas), puede alcanzar los niveles de sensibilidad necesarios para un diagnóstico en etapa temprana.

"Con PODS, podemos hacerlo rápido amplio cribado poblacional de la malaria en entornos de bajos recursos. Cuando se combina con los tratamientos 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 muy tóxico tanto para el parásito como para su huésped, el parásito ha descubierto una "escapatoria" en torno a esto agregando hemo en un nanocristal insoluble conocido como hemozoína. A diferencia de todos los demás materiales de origen natural en la sangre, la hemozoína es magnética, "dice el autor principal, co-inventor, y un reciente doctorado en ingeniería biomédica. graduado, Samantha McBirney.

Debido a que la cantidad de hemozoína en la sangre está directamente relacionada con la progresión de la infección por malaria, es un indicador ideal de infección. Sin embargo, la detección de unas pocas nanopartículas de hemozoína en la sangre es un gran desafío porque la sangre tiene muchos componentes que pueden interferir con la medición. Para superar este problema, los investigadores se inspiraron en descubrimientos recientes en la 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 la 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 que la sangre lo bloquea. Si hay hemozoína presente, incluso menos luz atraviesa. En altas concentraciones incluso en sangre, es evidente si hay hemozoína porque el nanocristal es muy bueno para bloquear la luz. Sin embargo, a medida que las concentraciones disminuyen a valores indicativos de paludismo en etapa temprana, se vuelve más difícil detectar la presencia de hemozoína. (Adicionalmente, la sangre de todos absorbe la luz de manera un poco diferente, complicando 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 "normal" o "saludable, "puntos de referencia, sino utilizando la muestra del propio paciente. Normalmente, este enfoque es extremadamente difícil de implementar, ya que requiere la obtención de muestras del paciente antes de la enfermedad. 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.

Aplicando un imán, es posible manipular y mover las partículas de hemozoína dentro de un tubo de ensayo, o moverlos dentro y fuera del rayo láser. De este modo, una sola muestra se puede utilizar para realizar dos mediciones, y cada diagnóstico es personalizado. Si hay hemozoína presente, incluso en concentraciones mínimas, las señales cambian. De media, 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 hemozoína, entonces debe haber malaria, "dijo Armani, "La parte desafiante fue distinguir las diminutas nanopartículas de hemozoína de todo lo demás en la muestra de sangre completa".

Filosofía de diseño

Los investigadores emplearon una estrategia de diseño militar, Diseñar intencionalmente el dispositivo para intentar usarlo de forma económica, componentes listos para usar y no requieren reactivos. Si un componente falla, los ingenieros querían asegurarse de que no era necesario buscar un proveedor personalizado o un proveedor único.

"Todas las piezas son fácilmente accesibles y fáciles de reemplazar, "dice McBirney.

McBirney se sintió 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 que ocurren 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 al máximo:estas son muertes que ocurren antes de que un niño sepa cuál es su lugar en este mundo, incluso antes de que sepa por qué está aquí. Esto es desgarrador. Si podemos desempeñar el papel más pequeño en la 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 μL. (una o dos gotas) de sangre. Esperan eliminar la computadora portátil adjunta para que el dispositivo pueda funcionar durante más de 30 horas con una batería externa o funcionar manualmente.

El artículo que presenta esta investigación, "Diagnóstico portátil para la detección del paludismo en entornos de bajos recursos, "aparece en Sensores ACS .