在实地使用准确和便携的快速检测方法诊断疟疾

经过|2021年5月27日

一种新的芯片上的实验室技术使血液中疟原虫的快速和定量鉴定成为可能,从而在偏远地区得到更好和更准确的诊断。

如果你最近听到越来越多关于“芯片上的实验室”技术,这是有充分理由的。这些设备可以用来模拟器官,也许取代生物医学研究中的动物模型,但最终,他们有能力进行一系列复杂的测试这是预先限制在实验室,现在包含在单一,低成本,便携式设备中。

米兰理工大学(Politecnico di Milano)的里卡多•贝尔塔科(Riccardo Bertacco)等研究人员认为,这是对抗疟疾等使人衰弱的疾病的有效工具,疟疾在世界某些地区流行-仅2019年,全球就报告了2.29亿新病例和40.9万人死亡。

“自从我住在喀麦隆25年前的志愿者以来,我已经知道了疟疾,”Bertacco说。“我至少两次,我直接经历了这种感染的巨大的个人,临床和社会影响,这影响了全世界35亿人。”

随着当前的Covid-19流行发作作为压迫示例,感染的个体的快速鉴定是在控制下获得任何传染病的不可或缺的一部分。除了疟疾疫苗,抗疟疾药物和策略的抗疟疾药物,早期诊断和治疗个体是必不可少的。问题是,疟疾的护理点鉴定仍然是一个重大挑战,特别是在世界各地的疾病猖獗和资源有限的地方。

“芯片上的实验室之所以吸引人,是因为它们可以集成在一个具有生化和电子功能的小芯片上,允许创造不需要有经验的人员来运行它们的自动智能设备,”Lorenzo Pietro coppadaro说,他是米兰理工大学电子生物工程与信息学系的博士生。“由于具有极佳的敏感性和(能够)通过互联网向临床医生提供结果,(这可能)使远程医疗保健系统能够大幅降低成本并提高质量。”

利用感染细胞的磁性

2016年,Bertacco表示他遇到了科学出版物,描述了被疟疾寄生虫感染的红细胞的磁性特性疟疾的疟原虫。从独特的观点来看,这引发了对疟疾的兴趣:学习纳米磁性的物理教授。

“I thought to myself, ‘If malaria infected red blood cells are magnetic, then that’s [essentially] my job’, and the idea for a novel lab-on-chip diagnostic test based on this concept of magnetism came about,” said Bertacco.

疟疾寄生虫通过喂养血红蛋白而存活,在红细胞中发现的携带含氧蛋白质复合物。该击穿的副产物之一是释放含铁血红素(血红蛋白的亚结构),寄生虫转化为称为血液素的不溶性晶体,以保护自己被中毒。由于每个血红素含有一个铁原子,因此血液沸蛋白成为顺磁性-和可检测的。

Bertacco和他的合作者命名为他们的设备Tmek.从“TID Mekii”的意思是“疟疾”,在喀麦隆的一个名为Mbalmayo的小村庄的当地语言中进行了临床前验证。

该研究的作者之一乔治·法拉利教授解释说:“TMek是基于一个芯片,在整个血液样本中实现了对受感染的红细胞和游离血红蛋白晶体的选择性磁捕获。”健康的红细胞在重力作用下沉淀,而受感染的[磁性]红细胞被芯片上的一些微型磁铁捕获。

受感染的红细胞被捕获的磁铁基于电极顶部构建。由于感染的细胞积聚,电极测量的阻抗成比例地增加。

“微芯片因此能够在全血中捕获感染的红细胞和游离颜料,并在仅需5-10分钟的情况下使用电检测量化它们的浓度,其检测为10寄生虫/μl,”添加的法拉利。

鉴于目前疟疾快速检测的情况和局限性,这是一项重大成就。“世界卫生组织强烈支持使用基于抗原检测的快速诊断测试疟原虫该研究的另一位作者斯皮内洛·安蒂诺里教授解释说。“然而,现有的快速检测仍然有相对较高的检测限(大约200个寄生虫/μl),操作时间为15-20分钟,而且是纯定性的,不提供任何寄生虫血症水平的定量。”

Antinori还指出,快速测试的次优性能导致了大量的假阳性和负面结果。更敏感的测试,例如PCR,帮助弥合一些这些限制,但是,它们仍然需要近60分钟运行,并不定量(这将有助于临床医生确定疾病阶段),并且不兼容该领域的广泛使用。

“根据我们2019年4月在喀麦隆进行的临床前验证,”米兰理工大学物理系博士生Francersca Milesi说,“TMek代表了一种进步,因为它的检测极限比目前使用的快速检测低一个数量级,虽然它有可能成为一种适用于所有疟疾物种的定量和阶段选择性快速检测方法。”

让护理点真正触手可及

随着对科学发现的能力来实现对科学发现的热情,该团队在社会专利下提交了他们的设备,这确保了任何产生的收入重新投入了具有高社会影响的类似研究项目。

“(在研究TMek的时候),我感受到了与我一起研究这项前沿技术的年轻研究人员的非凡热情和承诺,这项技术在非洲的应用范围很明确,”Bertacco说。“我发现了与Mbalmayo的临床医生和实验室技术人员合作的巨大潜力,因为他们非常了解疟疾,是对抗疟疾的基本参与者。”

在这种情况下,该装置可能是开创性的,当测试这种光学显微镜或PCR时,可以增强准确性。“我们的测试代表了一个可宝贵的工具,用于识别筛选无症状的人员的健康运营商,”Gianfranco Beniamino Fiore教授增加。“TMEK可能成为显微镜的片上相当,提供临床医生,具有易于,快速,自动的工具,用于定量评估寄生虫,疾病进展以及评估潜在的人对蚊虫寄生虫传播性。”

它也有可能用于疟疾以外的领域。“原则上,TMek的概念可以用于治疗其他疾病,这些疾病会改变生物[实体]的磁性,”Milesi说。“一个例子是血吸虫病,蠕虫产生相同的分子(疟原虫色素),这种分子可以改变被疟疾感染的红细胞的磁性。”

Fiore总结说:“疟疾流行地区的小医疗中心没有相关的实验室设施和经验丰富的人员,可以向这些中心的病人提供这种检测,从而使疟疾在实地[和偏远地区]得到可靠和快速的诊断。”

参考:Marco Giacometti等,用于疟疾的快速,定量和阶段选择性诊断的片上工具,高级科学(2021年)。DOI: 10.1002 / advs.202004101