Low-cost point-of-care diagnostic devices for low resource settings

Autor/a

Fernández Carballo, Blanca Leticia

Director/a

Borrós i Gómez, Salvador,

Codirector/a

Sauer-Budge, Alexis F

Florensa Giménez, Albert

Fecha de defensa

2017-03-07

Páginas

197 p.



Departamento/Instituto

Universitat Ramon Llull. IQS

Resumen

Els test de tipus 'point-of-care' (POC) presenten un gran potencial per al maneig i el diagnòstic de malalties. Els dispositius POC permeten la realització de proves clíniques prop del pacient, permetent així un diagnòstic ràpid, una ràpida iniciació de tractaments, i en cas necessari, una derivació ràpida a altres centres mèdics. Aquests dispositius tenen a més el potencial de ser més econòmics, més robustos, i més fàcils d'usar que els dispositius mèdics tradicionals. Per aquests motius, els dispositius mèdics de tipus POC es consideren prometedors per als països en vies de desenvolupament, els quals són també els que necessiten de forma més urgent noves tecnologies mèdiques. En aquest context, aquesta tesi se centra en el desenvolupament de dispositius mèdics de diagnòstic in-vitro de tipus POC per salut global. Tenint en compte que els recursos per al desenvolupament i explotació de dispositius POC per a països amb baixos recursos són limitats, el Capítol 2 s'enfoca en el desenvolupament de prioritats d'investigació en salut. Mitjançant l'establiment d'aquestes prioritats es pretén facilitar la selecció d'objectius a fabricants d'instruments mèdics, així com incrementar l'impacte de les noves tecnologies desenvolupades. Els criteris de priorització considerats són molt amplis i inclouen l'impacte d'un nou test en la incidència d'una malaltia, la disponibilitat i preu dels tractaments de les malalties, la inversió tecnològica per al desenvolupament d'un nou dispositiu, i els principis bioètics. El tercer capítol descriu el desenvolupament d'un dispositiu mèdic senzill que pot ser fabricat fàcilment en laboratoris amb escassos recursos: tires reactives de diagnòstic de paper per a la detecció de biomarcadors presents en fluids biològics fabricats amb impressores de raig de tinta domèstiques i amb receptes senzilles per la preparació de les tintes. Aquesta tècnica de fabricació de tires reactives de diagnòstic va ser provada per a la detecció de deficiència de iode, un problema sever de salut global al món. En aquest capítol es presenten experiments de preparació de tintes químiques, impressió en paper, detecció de iode en les concentracions presents en l'orina, i consells per al desenvolupament de noves tintes per a la detecció d'altres biomarcadors de malalties. Aquest simple i versàtil procés de fabricació de tests de diagnòstic permetria a hospitals i laboratoris amb pocs recursos dissenyar els seus propis diagnòstics per a malalties rellevants, i en la forma i quantitat adaptada a les necessitats de cada comunitat. Desafortunadament, no totes les malalties es poden diagnosticar usant senzilles tires reactives de diagnòstic, i freqüentment es necessiten dispositius més complexos. El capítol 4 està enfocat en el desenvolupament de dispositius de PCR i RT-PCR de baix cost, a temps real, i de tipus POC que permeten detectar quantitativament patògens basats en DNA i RNA respectivament. El nostre sistema es basa en PCR de flux continu, el qual manté zones de temperatura fixes i empeny la solució de PCR entre les àrees calefactades, permetent així una transferència de calor més ràpida i conseqüentment, una PCR més veloç. Tots dos sistemes de PCR i RT-PCR van ser fabricats a partir d'un xip microfluídic sol ús dissenyat per a ser produït a baix cost industrialment mitjançant mètodes de 'roll-to-roll'. El sistema òptic permet la detecció de patògens en temps real mitjançant mesures de fluorescència. Per demostrar la funció del xip, dos bacteris infeccioses i un virus van ser seleccionats: Chlamydia trachomatis, Escherichia coli O157: H7, i Ebola virus. Per als tres patògens, es van provar diferents velocitats de flux, es va determinar el límit de detecció del sistema, i es van calcular les eficiències de les PCRs. L'èxit dels resultats obtinguts i la versatilitat del sistema, fa que aquests dispositius es considerin prometedors per al diagnòstic d'altres patògens com Zika o chikungunya, que constitueixen amenaces mundials a la salut pública. Tots dos dispositius de diagnòstic in vitro presentats en aquesta tesi són bons exemples de dispositius de diagnòstic apropiats per a salut global.


Los test de tipo ‘point-of-care’ (POC) presentan un gran potencial para el manejo y el diagnóstico de enfermedades. Los dispositivos POC permiten la realización de pruebas clínicas cerca del paciente, permitiendo así un diagnóstico rápido, una pronta iniciación de tratamientos, y en caso necesario, una derivación rápida a otros centros médicos. Estos dispositivos tienen además el potencial de ser más económicos, más robustos, y más fáciles de usar que los dispositivos médicos tradicionales. Por estos motivos, los dispositivos médicos de tipo POC se consideran prometedores para los países en vías de desarrollo, los cuales son también los que necesitan de forma más urgente nuevas tecnologías médicas. En este contexto, esta tesis se centra en el desarrollo de dispositivos médicos de diagnóstico in vitro de tipo POC para salud global. Teniendo en cuenta que los recursos para el desarrollo de dispositivos POC para países con bajos recursos son limitados, el Capítulo 2 se enfoca en el desarrollo de prioridades de investigación en salud. Mediante el establecimiento de estas prioridades se pretende facilitar la selección de objetivos a fabricantes de dispositivos médicos, así como incrementar el impacto de las nuevas tecnologías desarrolladas. Los criterios de priorización considerados son muy amplios e incluyen el impacto de un nuevo test en la incidencia de una enfermedad, la disponibilidad y precio de los tratamientos de las enfermedades, la inversión tecnológica para el desarrollo de un nuevo dispositivo, y los principios bioéticos. El segundo Capítulo 3 describe el desarrollo de un dispositivo médico sencillo que puede ser fabricado fácilmente en laboratorios con escasos recursos: tiras reactivas de diagnóstico de papel para la detección de biomarcadores presentes en fluidos biológicos fabricados con impresoras de chorro de tinta domésticas y con recetas sencillas para la preparación de las tintas. Esta técnica de fabricación de tiras reactivas de diagnóstico fue probada para la detección de deficiencia de yodo, un problema severo de salud global en el mundo. En este capítulo se presentan experimentos de preparación de tintas químicas, impresión en papel, detección de yodo en las concentraciones presentes en la orina, y directrices para el desarrollo de nuevas tintas para la detección de otros biomarcadores de enfermedades. Este simple y versátil proceso de fabricación de tests de diagnóstico permitiría a hospitales y laboratorios con pocos recursos diseñar sus propios diagnósticos para enfermedades relevantes, en una forma y cantidad adaptada a las necesidades de cada comunidad. Desafortunadamente, no todas las enfermedades pueden diagnosticarse usando sencillas tiras reactivas de diagnóstico, y frecuentemente se necesitan dispositivos más complejos. El Capítulo 4 está enfocado en el desarrollo de dispositivos de PCR y RT-PCR de bajo coste, de tiempo-real, y de tipo POC que permiten detectar cuantitativamente patógenos basados en DNA y RNA respectivamente. Nuestro sistema se basa en PCR de flujo continuo, el cual mantiene zonas de temperatura fijas y empuja la solución de PCR entre las áreas calefactadas, permitiendo así una transferencia de calor más rápida y consecuentemente, PCR más veloces. Ambos sistemas de PCR y RT-PCR fueron fabricados en base a un chip microfluídico desechable diseñado para ser producido a bajo coste industrialmente mediante métodos de ‘roll-to-roll’. El sistema óptico permite la detección de patógenos en tiempo real mediante medidas de fluorescencia. Para demostrar la función del chip, dos bacterias infecciosas y un virus fueron seleccionados: Chlamydia trachomatis, Escherichia coli O157:H7, y Ebola virus. Para los tres patógenos, se probaron diferentes velocidades de flujo, se determinó el límite de detección del sistema, y se calcularon las eficiencias de las PCRs. El éxito de los resultados obtenidos y la versatilidad del sistema, hace que estos dispositivos se consideren prometedores para el diagnóstico de otros patógenos como Zika o chikungunya, que constituyen amenazas mundiales a la salud pública. Ambos dispositivos de diagnóstico in vitro presentados en esta tesis son buenos ejemplos de dispositivos de diagnóstico apropiados para salud global.


Point-of-care (POC) testing has great potential for the management and diagnosis of disease. POC devices allow for testing close to the patient permitting rapid diagnosis, prompt treatment initiation, and when needed, quick referral to other health-care units. They have the potential to be lower-cost, more robust, and more user-friendly than traditional medical devices. For these reasons, POC diagnostic tests are a promising approach for the developing world, where there is also the most urgent need for new health technologies. In this context, this thesis is focused in the development of POC in vitro diagnostic tests for global health. Considering that the resources for developing POC devices for low-resource settings are limited, during Chapter 2 we focused on setting health research priorities to aid test developers setting their targets to increase the impact of the technology. The criteria for prioritization considered were very broad and took into account the impact of a new test on the burden of disease, the availability and expense of disease treatments, the technological investment to develop a new device, and the bioethical principles. Chapter 3 describes the development of a medical device that can be easily manufactured in limited resources laboratories: paper diagnostic chemical dipsticks to detect biomarkers present in biological fluids produced with domestic inkjet printers and simple ink preparation recipes. This fabrication technique for diagnostic strips was tested for the detection of iodine deficiency, a severe global health problem worldwide. In this chapter we present successful experiments for chemical inks preparation, printing on paper, detection of iodine in the concentrations present in the urine, and guidelines for new ink development to target other disease biomarkers. This simple and versatile manufacturing process for diagnostic tests would allow hospitals and laboratories with limited infrastructure to design diagnostics for relevant diseases in a format and quantity adapted to each community needs. Unfortunately, not all diseases can be diagnosed using simple chemical dipstick assays and more complex diagnostic devices are required. Chapter 4 is focused on the development of a low-cost, real-time, point-of-care PCR and RT-PCR systems for quantitative detection of DNA and RNA-based pathogens. Our systems are based on continuous-flow PCR which maintains fixed temperatures zones and pushes the PCR solution between heated areas allowing for faster heat transfer and as a result, faster PCRs. Both PCR and RT-PCR systems were built around disposable microfluidic chips designed to be economically produced industrially by roll-to-roll embossing methods. The optical system allows for pathogen detection via real-time fluorescence measurements. To demonstrate the function of the chips, two infectious bacteria and one viral target were selected: Chlamydia trachomatis, Escherichia coli O157:H7, and Ebola virus. For the three pathogens, different flow velocities were tested, the limit of detection of the system was determined, and PCR efficiencies were calculated. Our successful results, and the versatility of our system, make it promising for the detection of other DNA and RNA-based pathogens such as Zika or chikungunya, which constitute global health threats worldwide. The two in vitro diagnostic tests presented in this thesis are good examples of promising POC diagnostic devices appropriate for global health.

Palabras clave

Point-of-care diagnostics; Medical device; PCR; RT-PCR; Dipsticks; Microfluidics; Global health; Developing countries; Global development; Inkjet printing

Materias

54 - Química; 57 - Biología; 577 - Bioquímica. Biología molecular. Biofísica; 6 - Ciencias aplicadas; 61 - Medicina

Área de conocimiento

Ciències naturals, químiques, físiques i matemàtiques

Documentos

Tesi_Blanca_Leticia_Fernandez.pdf

3.330Mb

 

Derechos

L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

Este ítem aparece en la(s) siguiente(s) colección(ones)