Portable lab-on-chip platform for bovine mastitis diagnosis in raw milk

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica , apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015As medidas de prevenção e controlo da mastite bovina consistem em boas práticas de gestão aliadas à administração de antibióticos. Os conceitos actuais para uma utilização prudente de antibióticos e preocupações a nível de saúde pública têm vindo a reforçar a necessidade de um diagnóstico adequado e atempado. Geralmente, a mastite é detectada com base em sinais clínicos evidentes de condições anormais do leite e / ou do úbere das vacas ou por testes que indicam uma reacção inflamatória. O teste Califórnia Mastite, consiste na contagem de células somáticas e kits relativamente baratos de bio marcadores estão disponíveis para o efeito, mas estes apenas fornecem informações sobre a presença / ausência de inflamação. Nos últimos anos, a tecnologia de Lab-on-Chip teve grandes desenvolvimentos, apresentando inúmeras vantagens relativamente aos métodos tradicionais de detecção de biomoléculas: maior sensibilidade, uma resposta mais rápida, recurso a pequenas quantidades de reagentes, redução do tamanho dos dispositivos, fácil utilização e custos acessíveis. Com o crescente interesse da medicina, indústria farmacêutica, biotecnologia e controlo ambiental, a tendência será deslocar os laboratórios para mais próximo dos clientes, através desta tecnologia também designada Point-of-Care (POC). Paralelamente, a integração da tecnologia biológica em aplicações de engenharia alimentar tem tido particular interesse na última década. A identificação precoce dos agentes patogénicos causadores da mastite bovina tem uma grande importância para a implementação de medidas de controlo adequadas, reduzindo o risco de infecções crónicas e permitindo orientar a terapêutica antimicrobiana a ser prescrita. A rápida identificação dos agentes patogénicos, como Staphylococcus spp. e Streptococcus spp. e, entre estes, a discriminação entre os principais agentes contagiosos Staphylococcus aureus e Streptococcus agalactiae, irá contribuir para um decréscimo dos danos económicos e de saúde pública consequentes da mastite bovina. Apesar dos sistemas de citometria convencional fornecerem resultados rápidos e fiáveis, estes continuam a ser volumosos, o que dificulta a sua portabilidade, além de apresentarem custos relativamente elevados e serem de utilização complexa. Por seu lado, os sensores magnetoresistivos são micro fabricados, podem ser integrados em canais microfluídicos e conseguem detectar células marcadas magneticamente. Os sensores magnetoresistivos utilizados neste trabalho são designados por Spin-Valve, sendo constituídos por uma camada de metal não magnético entre duas camadas de metais magnéticos. Uma das camadas magnéticas apresenta uma magnetização fixa, devido a uma camada antiferromagnética adjacente que lhe fixa a magnetização, enquanto a magnetização da outra camada se encontra livre para rodar. Esta dissertação pretende desenvolver uma plataforma portátil que integra um magnete permanente como fonte de magnetização, vinte e oito sensores magnetoresistivos e microfluídica, tornando possível a detecção e quantificação, de forma dinâmica e em tempo real, de partículas magnéticas e células marcadas magneticamente, utilizando vários sensores. Para tal, utilizou-se como ponto de partida um protótipo já existente no INESC-MN, que embora funcional, apresentava limitações na integração do biochip com a fonte de magnetização das nanopartículas, neste caso um magnete permanente. Como as Spin-Valves são apenas sensíveis a uma direcção no plano, se bem alinhadas na zona de homogeneidade dos campos perpendiculares criados pelo magnete, este não afecta a sensibilidade dos sensores. No entanto, uma pequena inclinação do magnete pode criar componentes de campo magnético no plano do sensor e, por conseguinte, afectar a sua sensibilidade. O magnete utilizado neste trabalho tem dimensões 20x20x3mm3 e um campo magnético residual de 1.2-1.3T. O sistema de microfluídica é composto por quatro canais lineares e individuais com 50 μm de altura, 100 μm de largura e 1 cm de comprimento, alinhados com cada conjunto de sensores. O chip e os microcanais são montados face-a-face e selados através de um processo químico, sendo depois montados e soldados num circuito impresso. Neste caso particular, o biossensor é desenhado para ser capaz de detectar e quantificar pequenas variações de campo magnético causadas pela presença de marcadores superparamagnéticos que são funcionalizados com anticorpos para proteínas de parede celular específicas que estão presentes na superfície das células de interesse. As partículas superparamagnéticas são muito utilizadas neste tipo de aplicações pelo facto de, na ausência de campo magnético externo, apresentarem magnetização nula – estão num estado superparamagnético. Quando um campo magnético externo é aplicado, provoca a magnetização destas partículas conduzindo-as a um estado paramagnético. Uma partícula magnetizada verticalmente, ao fluir no microcanal, gera um campo variável sobre o sensor. Como resultado, um pico bipolar é a assinatura da passagem de uma partícula perpendicularmente magnetizada sobre o sensor. De forma a conseguir obter uma plataforma com as características identificadas acima, foram combinados vários componentes numa única plataforma, através de um processo faseado que incluiu: i) A microfabricação de sensores magnetoresistivos, através de técnicas de fotolitografia, etching e lift-off; ii) A fabricação de um sistema de microfluidica em PDMS; iii) A integração do chip com os microcanais de PDMS através de um processo de ligação químico; iv) desenvolver um estudo sobre os efeitos de campos magnéticos externos sobre os sensores magnetoresistivos devido à presença de magnetes permanentes; v) O desenvolvimento de um módulo com um sensor de efeito de hall, que integrado numa plataforma de scanning permitisse quantificar os campos perpendiculares e longitudinais de magnetes; vi) a optimização do design do biochip de acordo com os dados obtidos; vii) O desenvolvimento de uma plataforma de suporte para a combinação do biochip com o magnete permanente; viii) A medição do momento magnético de um conjunto de partículas magnéticas com diferentes dimensões; ix) A validação experimental da eficiência do magnete permanente na magnetização de nanopartículas magnéticas, através de ensaios experimentais de detecção de nanopartículas de diferentes dimensões. x) O desenvolvimento de um programa de análise e contagem de eventos magnéticos utilizando o software Matlab®; xi) A avaliação experimental da detecção de células marcadas com partículas magnéticas. As medições experimentais foram realizadas utilizando uma plataforma electrónica desenvolvida pelo INESC-ID, há dois anos por um aluno de doutoramento, mostraram que a plataforma já optimizada permite a detecção de nanopartículas magnéticas e células marcadas magneticamente utilizando vários sensores magnetoresistivos, o que não era possível no protótipo anterior. Cinco tipos de partículas magnéticas, com dimensões entre os 2800 nm e os 50 nm, foram testadas nos vários canais. Foram observados picos correspondentes à passagem de partículas magnéticas em todas as amostras, excepto para as partículas com dimensões de 80 nm e 50 nm. Face a estes resultados conclui-se que, provavelmente: - Partículas de menores dimensões não apresentam tendência para formar aglomerados e, partículas individualizadas não têm momento magnético suficiente para serem detectadas; - Ou que a magnetização das partículas pelo magnete permanente é demasiado pequena para induzir um momento magnético significativo nas mesmas. Contudo, como neste caso é importante diminuir a probabilidade de ocorrência de falsos positivos, é relevante que partículas magnéticas que não estejam ligadas às moléculas de interesse não sejam detectadas pelo sensor. Deste modo, determinou-se que, para este sensor, as partículas de 80 nm ou 50 nm são as mais indicadas. Para validação da detecção de células foram realizadas experiências usando amostras de leite com Staphyloccocus spp. cedidas por uma colega do INESC-MN que está a desenvolver o seu trabalho de doutoramento em plataformas portáteis para análises ao leite. Estes testes com amostras biológicas foram realizados no INESC-MN, utilizando culturas de bactérias e protocolos de funcionalização e marcação magnética previamente desenvolvidos no Centro de Investigação Interdisciplinar em Sanidade Animal (CIISA). As células foram marcadas magneticamente com partículas de 50 nm funcionalizadas com o anticorpo monoclonal anti-Staphyloccocus spp. e introduzidas no biochip para os testes de aquisição. Nesta fase foram utilizadas amostras de 500 μL contendo 10000 ufc e 8 x 108 partículas magnéticas funcionalizadas. Foram detectados picos, o que indica a capacidade desta plataforma para a detecção magnética de células marcadas. Para além disso, com o programa de contagem foi possível quantificar o número de eventos magnéticos ocorridos, tendo sido detectados 6063, para um número de colónias de 10000. Os resultados obtidos são bastante promissores, no entanto são necessários ainda estudos futuros para que este citómetro possa quantificar com maior precisão. Nomeadamente, um dos objectivos seria a medição realizada por vários sensores em simultâneo, de forma a obterem-se resultados mais confiáveis e precisos. Para tal, optimizações ao nível da aquisição do sinal, mais propriamente ao nível da plataforma electrónica de aquisição serão necessárias para que seja possível a medição com sensores em paralelo.Over the past decade, the drawbacks of conventional flow cytometers have encouraged efforts in microfabrication technologies and advanced microfluidics systems. Biosensor technology has been in exponentially development as it presents huge advantages when in comparison to traditional detection methods of biomolecules, such as high sensitivity, rapid response and small amount of reagents. Unlike external fluorescent/optical detectors, magnetoresistive (MR) sensors are micro-fabricated, can be integrated within microfluidic channels and can detect magnetically labelled biomolecules. Bovine mastitis is an economic burden for dairy farmers and control measures to prevent mastitis are crucial for dairy company sustainability. The present work describes a platform for dynamic mastitis diagnosis through detection of magnetically labelled cells with a magnetoresistive based cell cytometer, where a permanent magnet is used as magnetic source. A study about the effects of the magnetic fields over the MR sensors was developed in order to be possible to design and engineer a platform integrating the permanent magnet with the chip in such a way that the magnetic fields did not affect the MR sensors behaviour. Overall, assays were performed involving magnetic nanoparticles (MNP) and cells labelled with MNP. These assays were performed with a platform mentioned above, containing a permanent magnet assembled with the chip which was integrated with an electronic platform from INESC-ID, allowing signal acquisition from magnetized nanoparticles. In a very preliminary stage, magnetic particles between 2800 nm and 50 nm were tested flowing through a 100 μm wide, 50 μm high microchannel, with speeds around 50 μL/min being detected. Bipolar and unipolar signals with average amplitude of 15 μV – ~250 μV were observed corresponding to magnetic events. A home-made program to count magnetic events was developed in Matlab®. In particular it is presented an example for the validation of the platform as a magnetic counter that identifies and quantifies Staphylococcus spp. cells magnetically labelled with 50nm particles in a milk sample. In assays using 500 μL of milk sample, cells were detected with signal amplitude of 30 μV – ~200 μV