Centrifugal microfluidics-based point of care diagnostics at resource limited settings

• Advancements in medical diagnostics have allowed us to understand the underlying mechanism and treat the root cause for many diseases which had been causing morbidity and mortality up until this point in human history. Furthermore, many of the standard diagnostic procedures have now been transformed to provide answers at or near the point-of-care. However, the effects of these positive developments have not trickled down to the parts of our society which are considered underdeveloped and lack the necessary infrastructure and facilities. Diagnostics in such resource limited settings still lag behind and fail to provide the requisite healthcare. In order to translate the diagnostic solutions designed for central laboratories to resource limited settings, there are certain challenges that need to be addressed, such as portability, reduction in cost and ease-of-use, while keeping the sensitivity and specificity at the required level. The work presented in this thesis focuses on addressing some of these issues by using microfluidics to develop diagnostic platforms that are suitable to be used in resource limited settings. In paper I, a very low-cost and simple centrifugal microfluidic platform was developed to be used in settings which do not have a reliable supply of electricity. The platform uses a smartphone as a source of power and the sensors of the phone for speed control.In paper II, a portable and low-cost diagnostic platform was developed for multiplexed detection of biomarkers based on centrifugal microfluidics. The platform uses colorimetric detection and a simple readout method which does not require a spectrophotometer for quantification.In paper III, a platform was developed for COVID-19 diagnostics which combines centrifugal microfluidics with a novel bead-based strategy for signal enhancement. The platform uses fluorescent detection with a smartphone readout and has the capability to process up to 20 samples at the same time.In paper IV, as a follow up of paper III, a more advanced platform was developed for COVID-19 diagnostics which allows the operator to carry out nucleic acid amplification in a completely automated manner, from adding the sample to getting the final result.In paper V, an alternative method for detection of SARS-CoV-2 was developed using electrochemical biosensing. This work combines the electrochemical technique with a flexible printed circuit board for a rapid, amplification-free and label-free detection of target SARS-CoV-2 sequences.

• Framsteg inom medicinsk diagnostik har gjort det möjligt att förstå och behandla många sjukdomar som tidigare varit en betydande orsak till dödlighet. Trots framstegen har inte alla delar av samhället haft tillgång dessa diagnostiska verktyg på samma sätt, särskilt i resursbegränsade miljöer i låg- och medelinkomstländer. Detta har lett till en ojämlik tillgång till sjukvård. Den senaste utvecklingen inom mikrofluidik möjliggör utveckling av så kallade patientnära analysverktyg till en fraktion av kostnaderna i traditionella labb-baserade tester. För applikationer i resursbegränsade miljöer krävs diagnostiska lösningar som är portabla, kostnadseffektiva och användarvänliga samtidigt som de har hög känslighet och specificitet. I denna avhandling har vi jobbat med framtagande av mikrofluidik-baserade diagnostiska plattformar som är lämpliga för resursbegränsade miljöer. Syftet är att kunna göra avancerade tester på platser där sjukvårdstjänster tidigare varit otillgängliga eller kostsamma att etablera. För att lösa de tekniska utmaningarna har flera nya tekniker utvecklats, bland annat en centrifugalmikrofluidik-baserad plattform.Centrifugalmikrofluidik är en teknik för att hantera små mängder vätskor med hjälp av en roterande skiva, liknande CD/DVD skivor men i detta fall finns det mikrofluidiska kanaler mönstrade i skivan för att möjliggöra analys. När skivan roterar skapas centrifugalkraft som används för att flytta och manipulera vätskor i dessa kanaler för att utföra ett antal steg som är nödvändiga för att göra bioanalys av olika prover. Det finns olika applikationer för denna teknik inom biologi och vi har utvecklat olika typer av metoder i denna avhandling. I ett av projekten kombinerade vi centrifugalmikrofluidik med en mobiltelefon för att utveckla en diagnostisk plattform som använde mobiltelefonen som strömkälla, analysering av provresultat samt som sensor för att kontrollera rotationshastigheten av rotorn som driver disken med analysen. Dessutom använde vi oss av pappkartong för att montera rotorn och skivan där tanken är att slutanvändaren ska kunna montera ihop och använda en mobiltelefon för att utföra analysen i fältet. En annan plattform använde kolorimetrisk detektion av proteiner och en enkel avläsningsmetod integrerad på plattformen, som inte krävde en spektrofotometer för kvantifiering av proteinmängden på skivan. I ett tredje projekt utvecklades en plattform för COVID-19-diagnostik som kombinerade centrifugalmikrofluidik där skivan inkorporerar agaroskulor för signalförstärkning av nukleinsyror. Denna plattform använde fluorescensdetektion med avläsning av en smartphone. Skivan analyserar upp till 20 prover från COVID-19 patienter samtidigt och resultatet kan avläsas av en smartphone och hade förmågan att behandla upp till 20 prover samtidigt. Vi har vidareutvecklat metoden där vi inkorporerat en kamera istället för mobiltelefon för att automatisera bildanalysen och vi planerar att testa metoden på fält i olika länder i sub-Sahara Afrika inom en snar framtid. Slutligen utvecklades en alternativ metod för detektion av SARS-CoV-2 med hjälp av elektrokemisk biosensing. Denna metod använde ett flexibelt kretskort för en snabb detektion av SARS-CoV-2.Sammanfattningsvis har vi inom denna avhandling utvecklat ett antal patientnära analysmetoder som riktar in sig på utmaningarna i resursbegränsade miljöer. Det är viktigt att utvecklar tekniker som kan användas i dessa miljöer, där infrastruktur och faciliteter är begränsade eller saknas helt. Med hjälp av den senaste teknikutvecklingen inom mikrofluidik tror vi att det är fullt möjligt att utveckla diagnostiska plattformar som är kostnadseffektiva och användas där de behövs som bäst, på ett innovativt sätt.

Ämnesord

MEDICIN OCH HÄLSOVETENSKAP  -- Medicinsk bioteknologi -- Medicinsk bioteknologi (hsv//swe)

MEDICAL AND HEALTH SCIENCES  -- Medical Biotechnology -- Medical Biotechnology (hsv//eng)

Nyckelord

microfluidics

centrifugal microfluidics

point-of-care

low-cost

diagnostics

agarose beads

immunoassays

colorimetry

fluorescence

cytokines

nucleic acid amplification

isothermal amplification

COVID-19

portable

smartphone

resource limited settings.

Biotechnology

Bioteknologi

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)