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

Tese de Doutoramento em Ciências Veterinárias, Especialidade de Ciências Biológicas e Biomédicas

Bovine mastitis is an economic burden for farmers mostly because of decreased milk yield, premature culling and cost of veterinary treatments. The identification of mastitis pathogens is of major importance in order for adequate control measures to be taken, to reduce the risk of appearance of chronic infections, and to target antimicrobial therapy. The aim of this study was to develop and validate a sensitive method for magnetic detection of Streptococcus agalactiae, Streptococcus uberis, Staphylococcus aureus and Staphylococcus epidermidis in raw milk samples. Mastitic milk samples were collected aseptically from 81 cows with subclinical mastitis, from 12 Portuguese dairy farms. Ninety one quarter milk samples were selected based on bacteriological results. All samples were submitted to PCR analysis. In parallel, these milk samples were mixed with a solution combining specific antibodies and magnetic nanoparticles, to be analyzed using a lab-on-a-chip magnetoresistive cytometer, with microfluidics sample handling. This immunological recognition was able to detect bacterial presence above 100 cfu/ ml, depending on antibody and targeted bacteria. Comparison with PCR results showed sensitivities of 73% and 41%, specificity values of 25% and 57%, and PPV values of 35% and 54% for magnetic identification of streptococci species with an anti-S. agalactiae antibody and an anti-GB Streptococcus antibody, respectively. Regarding staphylococci species, the sensitivity values found were of 57.1% and 79.3%, specificities of 75% and 50%, and PPV values of 40% and 95.8% for magnetic identification with an anti-S. aureus antibody and an anti-Staphylococcus spp. antibody, respectively. Both bacterial genus studies translated a fair expectation for a “cow-side” use application, making this integrated platform of potential use after further improvements for fast bacteriological infection screening. Some constraints are described as well as the method´s limitations in bacterial quantification.

RESUMO - Plataforma portátil “lab-on-chip” para diagnosticar mastite bovina em leite crú - A mastite bovina representa um custo económico relevante para os produtores de leite principalmente devido ao decréscimo da produção leiteira, abate prematuro e custos associados ao tratamento veterinário. Consequentemente, a identificação atempada dos agentes etiológicos é crítica para a implementação de medidas de controlo adequadas, redução do risco de infecções crónicas e aplicação de uma terapia microbiana específica. O objectivo deste estudo foi desenvolver e validar um método de detecção magnética capaz de identificar Streptococcus agalactiae, Streptococcus uberis, Staphylococcus aureus e Staphylococcus epidermidis em amostras de leite crú. As amostras de leite mastítico utilizadas foram recolhidas de 81 animais com mastite subclínica, de 12 explorações leiteiras nacionais. As amostras de leite de 91 quartos de úbere foram selecionadas tendo em conta os resultados bacteriológicos. Todas as amostras foram analisadas por PCR e pelo citómetro magnetoresistivo “lab-on-chip”, tendo sido necessário neste caso, adicionar uma solução com partículas magnéticas funcionalizadas com anticorpos específicos. Este reconhecimento imunológico detectou presença bacteriana acima das 100 ufc/ml, dependendo do anticorpo e da bactéria-alvo. Comparando com os resultados da análise por PCR, este método de detecção magnética apresentou sensibilidades de 73% e 41%, valores de especificidade de 25% e 57%, e valores VPP de 35% e 54% para identificar espécies de Streptococcus com os anticorpos anti-S. agalactiae e anti-GB Streptococcus, respectivamente. No que diz respeito às espécies de Staphylococcus, os valores de sensibilidade encontrados foram de 57.1% e 79.3%, de 75% e 50% para a especificidade, e de 40% e 95.8% para VPP com os anticorpos anti-S. aureus e anti-Staphylococcus spp., respectivamente. Os dois estudos apontam para uma potencial utilização do tipo “cow-side”, tornando a plataforma integrada potencialmente utilizável para uma rápida monitorização de infecção bacteriológica, após melhorias futuras. O método desenvolvido apresenta algumas restrições e limitações relativamente à quantificação bacteriana.