Eine neue Art der Malaria-Diagnose mittels Magnetfeldern

Anonim

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Malariadiagnose kaum verändert. Nach der Entnahme einer Blutprobe von einem Patienten schmiert ein Techniker das Blut über einen Objektträger, färbt es mit einem speziellen Farbstoff und schaut unter dem Mikroskop nach dem Parasiten Plasmodium, der die Krankheit verursacht. Dieser Ansatz gibt eine genaue Zählung an, wie viele Parasiten im Blut sind - ein wichtiges Maß für die Schwere der Erkrankung -, ist aber nicht ideal, da ein menschliches Versagenspotenzial besteht.

Ein Forscherteam der Singapore-MIT-Allianz für Forschung und Technologie (SMART) hat nun eine mögliche Alternative gefunden. Die Forscher haben einen Weg gefunden, Magnetresonanz-Relaxometrie (MRR) zu verwenden, eine nahe Verwandte der Magnetresonanztomographie (MRT), um ein parasitäres Abfallprodukt im Blut von infizierten Patienten zu erkennen. Diese Technik könnte einen zuverlässigeren Weg zur Erkennung von Malaria bieten, sagt Jongyoon Han, Professor für Elektrotechnik und Bioingenieurwesen am MIT.

"Es gibt ein echtes Potenzial, dies zu einem im Feld einsetzbaren System zu machen, zumal Sie keine Etiketten oder Farbstoffe benötigen. Es basiert auf einem natürlich vorkommenden Biomarker, der keine biochemische Verarbeitung von Proben erfordert", sagt Han von den älteren Autoren eines Papiers, das die Technik in der Aug. 31 Ausgabe von Nature Medicine beschreibt.

Peter Rainer Preiser von SMART und der Nanyang Technical University in Singapur ist ebenfalls Seniorautor. Der Hauptautor des Artikels ist Weng Kung Peng, ein Forscher bei SMART.

Jagd auf Malaria mit Magneten

Bei der traditionellen Blutabstrich-Technik färbt ein Techniker das Blut mit einem Reagens, das Zellkerne färbt. Rote Blutkörperchen haben keine Kerne, daher wird vermutet, dass sie zu Parasitenzellen gehören. Die Technologie und das Know-how, die zur Identifizierung des Parasiten benötigt werden, sind jedoch in einigen der am stärksten von Malaria betroffenen Regionen nicht immer verfügbar, und die Techniker stimmen bei ihren Interpretationen der Abstriche nicht immer überein, so Han.

"Es gibt viele Unterschiede zwischen Mensch und Mensch in Bezug darauf, was als infizierte rote Blutkörperchen im Vergleich zu einigen Staubpartikeln auf der Platte gilt. Es braucht wirklich viel Übung", sagt er.

Das neue SMART-System erkennt ein parasitisches Abfallprodukt namens Hämozoin. Wenn die Parasiten rote Blutkörperchen infizieren, ernähren sie sich von dem von den Zellen getragenen nährstoffreichen Hämoglobin. Wenn das Hämoglobin abgebaut wird, setzt es Eisen frei, das giftig sein kann. Der Parasit verwandelt das Eisen in Hämozoin - einen schwach paramagnetischen Kristallit.

Diese Kristalle stören die normalen magnetischen Spins von Wasserstoffatomen. Wenn sie einem starken Magnetfeld ausgesetzt werden, richten Wasserstoffatome ihre Spins in der gleichen Richtung aus. Wenn ein zweites, kleineres Feld die Atome stört, sollten sie alle synchron ihre Spins ändern - wenn jedoch ein anderes magnetisches Teilchen, wie Hämozoin, vorhanden ist, wird diese Synchronie durch einen Prozess gestört, der Entspannung genannt wird. Je mehr magnetische Partikel vorhanden sind, desto schneller ist die Synchronisation gestört.

"Was wir wirklich messen wollen, ist, wie die magnetische Kernresonanz des Wasserstoffs durch die Nähe anderer magnetischer Teilchen beeinflusst wird", sagt Han.

Für diese Studie verwendeten die Forscher einen 0, 5-Tesla-Magneten, viel weniger teuer und leistungsfähiger als die 2- oder 3-Tesla-Magnete, die typischerweise für die MRI-Bildgebung benötigt werden und bis zu 2 Millionen US-Dollar kosten können. Der aktuelle Geräte-Prototyp ist klein genug, um auf einem Tisch oder einer Laborbank zu sitzen, aber das Team arbeitet auch an einer tragbaren Version, die ungefähr so ​​groß ist wie ein kleines elektronisches Tablet.

Nachdem eine Blutprobe genommen und zur Konzentration der roten Blutkörperchen heruntergedreht wurde, dauert die Probenanalyse weniger als eine Minute. Es werden nur etwa 10 Mikroliter Blut benötigt, die mit einem Fingerpin erhalten werden können, was das Verfahren minimal-invasiv und viel einfacher für Gesundheitspersonal macht, als Blut intravenös zu ziehen.

"Dieses System kann im Vergleich zu den millionenschweren MRT-Geräten, die in einem Krankenhaus verwendet werden, zu sehr niedrigen Kosten gebaut werden", sagt Peng. "Da diese Technik außerdem nicht auf einer teuren Markierung mit chemischen Reagenzien beruht, können wir jeden Diagnosetest zu Kosten von weniger als 10 Cent durchführen."

Infektion verfolgen

Hemozoin-Kristalle werden in allen vier Stadien der Malaria-Infektion, einschließlich der frühesten Stadien, produziert und werden von allen bekannten Spezies des Plasmodium-Parasiten erzeugt. Auch die Menge an Hämozoin kann zeigen, wie stark die Infektion ist oder ob sie auf eine Behandlung anspricht. "Es gibt viele Szenarien, in denen Sie die Nummer sehen möchten, anstatt eine Ja- oder Nein-Antwort", sagt Han.

In dieser Arbeit zeigten die Forscher, dass sie Plasmodium falciparum, die gefährlichste Form des Parasiten, in den im Labor gezüchteten Blutzellen nachweisen konnten. Sie fanden auch den Parasiten in roten Blutkörperchen von Mäusen, die mit Plasmodium berghei infiziert waren.

Die Forscher starten ein Unternehmen, um diese Technologie zu einem erschwinglichen Preis verfügbar zu machen. Das Team führt auch Feldtests in Südostasien durch und erforscht, wie das Gerät mit Solarenergie betrieben werden kann - eine wichtige Überlegung für arme ländliche Gebiete.