Multiple pathogen detection using nanoplasmonic sensing

Opportunistic diseases caused by Human Immunodeficiency Virus (HIV) and Hepatitis B Virus (HBV) is an omnipresent global challenge. In order to manage these epidemics, we need to have low cost and easily deployable platforms at the point-of-care in high congestions regions like airports and public transit systems. In this dissertation we present our findings in using Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR)-based detection of pathogens and other clinically relevant applications using microfluidic platforms at the point-of-care setting in resource constrained environment. The work presented here adopts the novel technique of LSPR to multiplex a lab-on-a-chip device capable of quantitatively detecting various types of intact viruses and its various subtypes, based on the principle of a change in wavelength occurring when metal nano-particle surface is modified with a specific surface chemistry allowing the binding of a desired pathogen to a specific antibody. We demonstrate the ability to detect and quantify subtype A, B, C, D, E, G and panel HIV with a specificity of down to 100 copies/mL using both whole blood sample and HIV-patient blood sample discarded from clinics. These results were compared against the gold standard Reverse Transcriptase Polymerase Chain Reaction (RT-qPCR). This microfluidic device has a total evaluation time for the assays of about 70 minutes, where 60 minutes is needed for the capture and 10 minutes for data acquisition and processing. This LOC platform eliminates the need for any sample preparation before processing. This platform is highly multiplexable as the same surface chemistry can be adapted to capture and detect several other pathogens like dengue virus, E. coli, M. Tuberculosis, etc.

Protocolli e applicazioni della reazione a catena della polimerasi (PCR).

Con il seguente lavoro di tesi si propone un excursus dell’evoluzione della tecnica che ha permesso l’amplificazione del DNA in laboratorio, spiegandone i principi elementari di base. La scoperta che il DNA è il depositario dell’informazione genica ha aperto la strada a una nuova disciplina: la biologia molecolare, dove molte delle tecniche utilizzate limitano le funzioni naturali degli acidi nucleici. Dalla sua introduzione, la tecnologia PCR ha modificato il modo nel quale l’analisi del DNA viene condotta nei laboratori di ricerca e di diagnostica. Con lo scopo di rilevare direttamente sequenze genomiche specifiche in un campione biologico nasce l’esigenza di avere a disposizione metodologie con un’elevata soglia di sensibilità e specificità. Il primo capitolo di questo elaborato introduce la PCR nella sua prima formulazione. A partire da quantità estremamente ridotte di DNA, questa tecnica di amplificazione in vitro, consente di ottenere rapidamente milioni di molecole identiche della sequenza bersaglio di acido nucleico. A seguire, nel secondo capitolo, verrà trattata un’implementazione della PCR: la real-time PCR. La RT-PCR, introduce nuove opportunità poiché rende possibile la misurazione diretta e la quantificazione della reazione mentre è in atto. Con l’utilizzo di molecole fluorescenti che vengono incorporate nel prodotto in formazione o che si intercalano alla doppia elica, si può monitorare la formazione del prodotto di amplificazione in tempo reale seguendone l’assorbimento con un sistema spettrofotometrico, in un sistema automatizzato che provvede anche alle routine della PCR. Nel terzo e ultimo capitolo si analizza una nuova tecnologia recentemente commercializzata: la PCR in formato digitale. Verranno prese in esame essenzialmente due metodologie, la dPCR su chip e la ddPCR (Droplet Digital Polymerase Chain Reaction).