Malaria is a deadly disease which claimed the lives of over 400 000 people just in the year of 2019, mostly children under the age of five, and more than 200 million people are at risk every year. In this context, the World Health Organization (WHO) has mobilized the world’s effort to address the prevention, treatment and diagnosis of Malaria, aiming its eradication. Answering this call, a project called Tidi Mekii has started with the mission of developing an innovative instrument to perform a Rapid Diagnostic Test (RDT) with the same Limit of Detection (LoD) as the state-of-the-art microscopy (10 Parasites/uL) and that could be realized by a non-expert. The test explores the fact that Red Blood Cells infected with the malaria parasite (iRBCs) acquire a paramagnetic property due to the presence of hemozoin crystals, a byproduct secreted by the parasite upon feeding of the Cell’s hemoglobin, to separate iRBCs from healthy Red Blood Cells (hRBCs) through Magnetophoreses and direct them to specific areas on a silicon chip where gold electrodes, excited with a high frequency voltage, are used to sense the arrival of a cell through an impedimetric measurement. This thesis work first addresses the characterization of the performance of this instrument realized first in preliminary tests with bovine Red Blood Cells treated with NaNO2 (t-RBCs), which can be used as a model for human iRBCs, and then through a measurement campaign in the Istituto Superiore di Sanità, Rome, where cultures of P. Falciparum in human blood was available for testing. The main objective of the measurement campaign in Rome was to produce separate calibration curves for human blood infected with different parasite stages, in order to gain insight on the performance of the system for a mix of these parasites. However, a secondary experiment, using a silicon chip with a reduced number of electrodes, and correlating the electrical measurement performed by the instrument with a video image of the electrodes area performed by a microscope, proved that the instrument is sensible enough to detect the arrival of each single cell. This result motivated the efforts towards an alternative architecture for the system, capable of exploring the feature of single cell counting. This thesis work addresses the first steps towards this alternative architecture, with an emphasis to reducing further the noise of the system through a novel technique called Double Demodulation.
La malaria è una malattia mortale che ha causato la morte di oltre 400 000 persone solo nel 2019, per lo più bambini di età inferiore ai cinque anni, e più di 200 milioni di persone sono a rischio ogni anno. In questo contesto, l'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ha mobilitato gli sforzi del mondo per affrontare la prevenzione, il trattamento e la diagnosi della malaria, mirando alla sua eradicazione. In risposta a questa chiamata, è stato avviato un progetto denominato Tidi Mekii con la missione di sviluppare uno strumento innovativo per eseguire un test diagnostico rapido (RDT) con lo stesso limite di rilevamento (LoD) della microscopia allo stato dell'arte (10 parassiti /uL) e che potrebbe essere realizzato da un non esperto. Il test esplora il fatto che i globuli rossi infettati dal parassita della malaria (iRBC) acquisiscono una proprietà paramagnetica a causa della presenza di cristalli di emozoina, un sottoprodotto secreto dal parassita dopo l'alimentazione dell'emoglobina della cellula, per separare gli iRBC dai globuli rossi sani (hRBC) tramite Magnetoforesi e indirizzarli in aree specifiche su un chip di silicio dove elettrodi d'oro, eccitati con una tensione ad alta frequenza, vengono utilizzati per rilevare l'arrivo di una cella attraverso una misura impedimetrica. Questo lavoro di tesi affronta prima la caratterizzazione delle prestazioni di questo strumento realizzato prima in prove preliminari con globuli rossi bovini trattati con NaNO2 (t-RBC), che può essere utilizzato come modello per iRBC umani, e poi attraverso una campagna di misura in l'Istituto Superiore di Sanità, Roma, dove erano disponibili per le analisi colture di P. Falciparum nel sangue umano. L'obiettivo principale della campagna di misurazioni a Roma era produrre curve di calibrazione separate per il sangue umano infettato con diversi stadi di parassiti, al fine di ottenere informazioni sulle prestazioni del sistema per un mix di questi parassiti. Tuttavia, un esperimento secondario, utilizzando un chip di silicio con un numero ridotto di elettrodi e correlando l'immagine video dell'area degli elettrodi eseguita da un microscopio e la misurazione elettrica eseguita dallo strumento, ha dimostrato che lo strumento è sufficientemente sensibile da rilevare l'arrivo di ogni singola cellula. Questo risultato ha motivato gli sforzi verso un'architettura alternativa per il sistema, in grado di esplorare la caratteristica del conteggio delle singole cellule. Questo lavoro di tesi affronta i primi passi verso questa architettura alternativa, con l'accento sulla riduzione ulteriore del rumore del sistema attraverso una nuova tecnica chiamata Double Demodulation.
Development and characterization of an innovative diagnostic instrument for malaria
de OLIVEIRA FIGARES, CAINÃ
2021/2022
Abstract
Malaria is a deadly disease which claimed the lives of over 400 000 people just in the year of 2019, mostly children under the age of five, and more than 200 million people are at risk every year. In this context, the World Health Organization (WHO) has mobilized the world’s effort to address the prevention, treatment and diagnosis of Malaria, aiming its eradication. Answering this call, a project called Tidi Mekii has started with the mission of developing an innovative instrument to perform a Rapid Diagnostic Test (RDT) with the same Limit of Detection (LoD) as the state-of-the-art microscopy (10 Parasites/uL) and that could be realized by a non-expert. The test explores the fact that Red Blood Cells infected with the malaria parasite (iRBCs) acquire a paramagnetic property due to the presence of hemozoin crystals, a byproduct secreted by the parasite upon feeding of the Cell’s hemoglobin, to separate iRBCs from healthy Red Blood Cells (hRBCs) through Magnetophoreses and direct them to specific areas on a silicon chip where gold electrodes, excited with a high frequency voltage, are used to sense the arrival of a cell through an impedimetric measurement. This thesis work first addresses the characterization of the performance of this instrument realized first in preliminary tests with bovine Red Blood Cells treated with NaNO2 (t-RBCs), which can be used as a model for human iRBCs, and then through a measurement campaign in the Istituto Superiore di Sanità, Rome, where cultures of P. Falciparum in human blood was available for testing. The main objective of the measurement campaign in Rome was to produce separate calibration curves for human blood infected with different parasite stages, in order to gain insight on the performance of the system for a mix of these parasites. However, a secondary experiment, using a silicon chip with a reduced number of electrodes, and correlating the electrical measurement performed by the instrument with a video image of the electrodes area performed by a microscope, proved that the instrument is sensible enough to detect the arrival of each single cell. This result motivated the efforts towards an alternative architecture for the system, capable of exploring the feature of single cell counting. This thesis work addresses the first steps towards this alternative architecture, with an emphasis to reducing further the noise of the system through a novel technique called Double Demodulation.| File | Dimensione | Formato | |
|---|---|---|---|
|
FIGARES_Thesis_and_Executive_Summary.pdf
non accessibile
Dimensione
11.31 MB
Formato
Adobe PDF
|
11.31 MB | Adobe PDF | Visualizza/Apri |
I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
https://hdl.handle.net/10589/183810