Sistema de leitura ótica para diagnóstico de malária

Abstract

Metade da população mundial, em particular em regiões de subdesenvolvimento económico, encontra se em risco de contrair o parasita da malária, pelo que é urgente o desenvolvimento de métodos diagnóstico eficientes, capazes de detetar a doença na sua fase inicial, rápidos, específicos, de baixo custo e de fácil utilização. A presente dissertação integra um projeto de investigação com o principal objetivo de desenvolver sistemas de deteção de malária através da identificação e quantificação ótica de hemozoína. O objetivo desta dissertação passa pelo desenvolvimento de um sistema eletrónico capaz de identificar e quantificar a presença de hemozoína numa amostra por espectrofotometria de absorção ótica, com dimensões reduzidas, baixo consumo energético, autónomo, de utilização simples, reutilizável e com um custo de utilização reduzido. À medida que o parasita da malária se desenvolve nos glóbulos vermelhos humanos, consome hemoglobina e produz hemozoína, que é um cristal com características óticas específicas e distintas do sangue humano. Assim, o dispositivo proposto baseia-se nas diferenças entre os espectros de absorção ótica do sangue total e da hemozoína à medida que a doença da malária progride. Deste modo, desenvolveu-se um dispositivo eletrónico portátil, baseado num sistema de deteção por espectrofotometria de absorbância, recorrendo apenas a quatro comprimentos de onda do espectro de luz (520, 635, 661 e 783 nm). O sistema foi integrado numa plataforma fluídica, e incluiu díodos laser como emissores, fotodíodos como detetores, eletrónica de aquisição e controlo, assim como um algoritmo de atuação e leitura programado num microcontrolador. Desenvolveram-se duas abordagens de encapsulamento para o sistema de leitura, compatíveis com diferentes poços e reservatórios para as amostras. O sistema foi testado com amostras de diferentes concentrações, até um limite de deteção de 1 µg/mL de hemozoína em sangue total. O dispositivo desenvolvido foi capaz de identificar variações na absorbância, permitindo, através dos quatro comprimentos de onda reproduzir as principais oscilações dos espectros de absorção da hemozoína e do sangue total. Os resultados obtidos demonstram, assim, que a utilização de sistemas óticos portáteis poderá ser a resposta para colmatar as limitações atuais dos métodos e tecnologias de diagnóstico da malária.

Half of the world's population, particularly in economically underdeveloped regions, is at risk of contracting malaria. So, the development of efficient, fast, specific, low cost and user-friendly diagnostic methods, able to detect the disease in its initial phase, is urgent. This dissertation is part of a research project with the main objective of developing malaria detection systems through the identification and optical quantification of hemozoin. The objective of this dissertation is the development of an electronic system capable of identifying and quantifying the presence of hemozoin in a sample by optical absorption spectrophotometry. Such system must be small, with low energy consumption, autonomous, simple to use, reusable and low cost. As the malaria parasite develops in human red blood cells, it consumes hemoglobin and produces hemozoin, which is a crystal with specific and optical characteristics distinct from human blood. Therefore, the proposed device is based on the differences between the optical absorption spectra of whole blood and hemozoin as the malarial disease progresses. Thus, a portable electronic device was developed, based on a detection system by absorbance spectrophotometry, using only four wavelengths of the light spectrum (520, 635, 661 and 783 nm). The system was integrated in a fluidic platform, and included laser diodes as emitters, photodiodes as detectors, acquisition and control electronics, as well as an actuation and reading algorithm programmed in a microcontroller. Two encapsulation approaches were developed for the reading system, compatible with different wells and reservoirs for the samples. The system was tested with different concentration samples, up to a detection limit of 1 µg/mL of hemozoin in whole blood. The developed device was able to identify variations in absorbance, allowing, through the four wavelengths, to reproduce the main oscillations of the absorption spectra of hemozoin and whole blood. The results obtained enhance that the use of portable optical systems can be the answer to overcome the current limitations of malaria diagnostic methods and technologies.