MicroPathID: development of an in-field microfluidic system for detection of pathogens

Catarina Raquel Fernandes Caneira

Key information

Authors:

Catarina Raquel Fernandes Caneira (Catarina Raquel Fernandes Caneira)

Supervisors:

João Pedro Estrela Rodrigues Conde (João Pedro Estrela Rodrigues Conde); Elisabete Ramos Fernandes

Published in

February 24, 2023

Abstract

A deteção de patógenos em ambientes de cuidados primários de saúde é cada vez mais crítica, particularmente no combate à resistência antimicrobiana mas tem aplicações em áreas tão vastas como segurança de alimentos e rações, monitoramento e controlo ambiental, biodefesa e saúde animal e humana. Atualmente, os métodos utilizados para a deteção são demorados ou caros, requerem utilizadores especializados, uma quantidade elevada de tempo de trabalho e infraestruturas laboratoriais. O aumento da carga de resistência antimicrobiana e as previsões de impacto na saúde humana num futuro próximo, motivaram uma procura crescente por um dispositivo rápido, simples, portátil, econômico, sensível e específico para a deteção precoce de bactérias resistentes a antibióticos, em particular, com importante aplicação na deteção antecipada e rápida destas bactérias em ambiente hospitalar. Esta tese descreve o desenvolvimento de vários módulos miniaturizados que incluíram (1) lise celular e (2) extração de ácidos nucleicos, (3) amplificação de material genético e (4) deteção ótica da molécula de interesse usando fotodetectores miniaturizados para transdução ótica e aquisição de sinal. O uso de microesferas nanoporosas no dispositivo microfluídico permitiu a simplificação do dispositivo e aumento da sensibilidade. Sistemas de controlo fluídico e sensores também podem ser integrados ao dispositivo para obter um sistema verdadeiramente da amostra para resposta. Conseguimos obter um módulo de lise capaz de lisar bactérias e partículas semelhantes a vírus e efetuar extração e DNA/RNA em menos de 20 min com sucesso. O desenvolvimento de um módulo de amplificação isotérmica permitiu a deteção no chip levando à confirmação da presença de Staphylococcus aureus através de um gene específico. Estes desenvolvimentos contribuíram significativamente para o estado da arte e abrem caminho para o desenvolvimento de um dispositivo, totalmente integrado, baseado em testes moleculares, para ser usado no local de atendimento o que permitirá uma rápida deteção e triagem de doentes com a presença de bactérias resistentes a antibióticos. The detection of pathogens in primary care settings is increasingly critical, particularly in the fight against antimicrobial resistance, and has applications in areas such as food and feed safety, environmental monitoring and control, biodefense, to animal and human health. Currently, the methods used for detection are time-consuming or expensive and require specialized personnel, an elevated amount of hands-on time, and laboratory infrastructures. The increased burden of antimicrobial resistance and the predictions of future impact on human health motivate an increasing demand for a fast, simple, portable, cost-effective, sensitive, and specific device for the early detection of antibiotic-resistant bacteria, with application in the early detection in hospital environments. This thesis reports the development of several miniaturized modules that included (1) cell lysis and (2) nucleic acid extraction, (3) amplification, and (4) optical target detection using miniaturized photosensors for optical transduction and signal acquisition to perform bacterial detection based on molecular assays. The use of nanoporous microbeads on the microfluidic device allowed for device simplification and an increase in sensitivity. Fluidic control and sensor integration can also be employed in the device to achieve a sample-to-answer system. We were able to achieve a lysis module capable of lysing bacterial and virus-like particles, and successfully extracting DNA/RNA in under 20 min. The development of an isothermal amplification module allowed the detection of sub-femtomolar concentrations of DNA on a chip in less than 2 hours targeting a specific gene that allows the identification of the presence of Staphylococcus aureus. These developments contribute significantly to the state-of-the-art and pave the way toward the development of a fully integrated molecular-based device, to be used at the point-of-care to allow rapid detection and screening of patients that present antibiotic-resistant bacteria.