Optimization of a rapid diagnostic test for malaria towards single parasite detection

Despite having celebrated in Italy the 50th anniversary for the eradication of malaria, some parts of the world are still greatly affected by this disease. 409 000 people died of malaria in 2019, mostly children under the age of five and more then 200 million people are at risk every year. The COVID-19 pandemic forced the World Health Organization to call for a strong global collaboration in developing and producing new tests to reduce the spreading of the disease. This thesis work presents the optimization of an innovative rapid diagnostic test called TMek. This test relies on the paramagnetic properties of hemozoin nanocrystals, the digested components of the malaria parasite, that are sepa- rated magnetophoretically by an external magnetic field and sensed by electrical impedance detection. The capturing is made possible by a two-level approach: first a NeFeB permanent magnet saturates the magnetization of a Nickel array and then this matrix concetrates the field lines around it. In this way the infected particles are attracted towards the Ni array where the sensing electrodes are placed. This gold layer is placed in correspondence of the magnetic array in order to maximize the amount of cells to be detected. Healthy red blood cells will not feel any magnetic gradient and thus will sediment due to gravity force. During the thesis project, several improvements have been proposed to first reduce the variabilty of the measures induced by fluctuations and spurious drift and second to increase the sensitivity of the sensor along with the possibility to recognize different stages of the disease by looking at the shape of the signal. The experiments have been carried out in PoliFAB, the micro and nanotechnology facility of Politecnico di Milano, directed by Prof. Riccardo Bertacco and at Istituto Superiore di Sanità in Rome for the parasite detection. The bovine blood samples have been treated by μS Lab of Politecnico di Milano headed by Prof. Gianfranco B. Fiore. The electronic board system has been developed and tested within the I3N by Prof. Marco Sampietro and Prof. Giorgio Ferrari.

Sebbene in Italia si sia celebrato il 50esimo anniversario per l’eradicazione della malaria, alcune zone del mondo sono ancora enormemente scosse da questa malattia. Nel 2019 sono morte 409 000 perosone, per la maggior parte bambini con meno di cinque anni. La pandemia di COVID-19 ha spinto l’Organizzazione Mondiale della Sanità a richiamare a una forte collaborazione tra paesi per sviluppare e pordurre nuovi test in grado di ridurre il diffondersi della malattia. Questo lavoro di tesi presenta l’ottimizzazione di un test diagnostico innovativo chiamato TMek. Questo si basa sulle proprietà paramagnetiche dei cristalli di emozoina, digeriti dal parassita malarico, che vengono separati con magnetoforesi e poi misurati da una variazione di impedenza. La cattura è resa possibile grazie ad un approccio a due livelli: per prima cosa dei magneti permanenti di NeFeB saturano la magnetizzazione di una matrice di Nickel che poi a sua volta concentra le linee di campo nell’intorno della sua struttura. In questo modo le particelle infette vengono attratte verso la struttura di Nickel dove sono poi rilevate da elettrodi d’oro. Questo strato d’oro è posto in corrispondenza della matrice magnetica proprio per massimizzare il numero di cellule da individuare. I globuli rossi sani, al contrario, non percepiranno alcun campo magnetico depositandosi per forza di gravità. Durante il prgetto di tesi, sono state proposte diverse migliorie sia per ridurre la variabilità delle misure, causata da fluttuazioni e drift spuri, e sia per incrementare la sensibilità del sensore assieme alla capacità di riconoscere le fasi della malattia guardando la forma dei segnali. Gli esperimenti sono stati effettuati al PoliFAB, il centro di micro e nano tecnologia del Politecnico di Milano, diretto dal Prof. Riccardo Bertacco e per misurare il parassita malarico all’Istituto Superiore di Sanità a Roma. I campioni di sangue bovino sono stati trattati e forniti dal μSLab del Politecnico di Milano con a capo il Prof. Gianfranco B. Fiore. La board elettronica è stata sviluppata e testata all’interno del laboratorio I3N di Prof. Marco Sampietro e Prof. Giorgio Ferrari.