Bright-field and fluorescence chip-scale microscopy for biological imaging

Optical microscopy is an essential tool in biological science and one of the gold standards for medical examinations. Miniaturization of microscopes can be a crucial stepping stone towards realizing compact, cost-effective and portable platforms for biomedical research and healthcare. This thesis reports on implementations of bright-field and fluorescence chip-scale microscopes for a variety of biological imaging applications. The term “chip-scale microscopy” refers to lensless imaging techniques realized in the form of mass-producible semiconductor devices, which transforms the fundamental design of optical microscopes.

Our strategy for chip-scale microscopy involves utilization of low-cost Complementary metal Oxide Semiconductor (CMOS) image sensors, computational image processing and micro-fabricated structural components. First, the sub-pixel resolving optofluidic microscope (SROFM), will be presented, which combines microfluidics and pixel super-resolution image reconstruction to perform high-throughput imaging of fluidic samples, such as blood cells. We discuss design parameters and construction of the device, as well as the resulting images and the resolution of the device, which was 0.66 µm at the highest acuity. The potential applications of SROFM for clinical diagnosis of malaria in the resource-limited settings is discussed.

Next, the implementations of ePetri, a self-imaging Petri dish platform with microscopy resolution, are presented. Here, we simply place the sample of interest on the surface of the image sensor and capture the direct shadow images under the illumination. By taking advantage of the inherent motion of the microorganisms, we achieve high resolution (~1 µm) imaging and long term culture of motile microorganisms over ultra large field-of-view (5.7 mm × 4.4 mm) in a specialized ePetri platform. We apply the pixel super-resolution reconstruction to a set of low-resolution shadow images of the microorganisms as they move across the sensing area of an image sensor chip and render an improved resolution image. We perform longitudinal study of Euglena gracilis cultured in an ePetri platform and image based analysis on the motion and morphology of the cells. The ePetri device for imaging non-motile cells are also demonstrated, by using the sweeping illumination of a light emitting diode (LED) matrix for pixel super-resolution reconstruction of sub-pixel shifted shadow images. Using this prototype device, we demonstrate the detection of waterborne parasites for the effective diagnosis of enteric parasite infection in resource-limited settings.

Then, we demonstrate the adaptation of a smartphone’s camera to function as a compact lensless microscope, which uses ambient illumination as its light source and does not require the incorporation of a dedicated light source. The method is also based on the image reconstruction with sweeping illumination technique, where the sequence of images are captured while the user is manually tilting the device around any ambient light source, such as the sun or a lamp. Image acquisition and reconstruction is performed on the device using a custom-built android application, constructing a stand-alone imaging device for field applications. We discuss the construction of the device using a commercial smartphone and demonstrate the imaging capabilities of our system.

Finally, we report on the implementation of fluorescence chip-scale microscope, based on a silo-filter structure fabricated on the pixel array of a CMOS image sensor. The extruded pixel design with metal walls between neighboring pixels successfully guides fluorescence emission through the thick absorptive filter to the photodiode layer of a pixel. Our silo-filter CMOS image sensor prototype achieves 13-µm resolution for fluorescence imaging over a wide field-of-view (4.8 mm × 4.4 mm). Here, we demonstrate bright-field and fluorescence longitudinal imaging of living cells in a compact, low-cost configuration.

Study of the effect of alcohol on single human red blood cells using near-infrared laser tweezers Raman spectroscopy

The effect of alcohol solution on single human red blood Cells (RBCs) was investigated using near-infrared laser tweezers Raman spectroscopy (LTRS). In our system, a low-power diode laser at 785 nm was applied for the trapping of a living cell and the excitation of its Raman spectrum. Such a design could simultaneously reduce the photo-damage to the cell and suppress the interference from the fluorescence on the Raman signal. The denaturation process of single RBCs in 20% alcohol solution was investigated by detecting the time evolution of the Raman spectra at the single-cell level. The vitality of RBCs was characterized by the Raman band at 752 cm(-1), which corresponds to the porphyrin breathing mode. We found that the intensity of this band decreased by 34.1% over a period of 25 min after the administration of alcohol. In a further study of the dependence of denaturation on alcohol concentration, we discovered that the decrease in the intensity of the 752 cm(-1) band became more rapid and more prominent as the alcohol concentration increased. The present LTRS technique may have several potential applications in cell biology and medicine, including probing dynamic cellular processes at the single cell level and diagnosing cell disorders in real time. Copyright (c) 2005 John Wiley T Sons, Ltd.

Fungal and protozoan parasites and their importance in the ecology of the phytoplankton

The presence of fungi on the phytoplankton of Lake Windermere was first noted by the author in 1943. Surveys into the fungal and protozoan parasites of the planktonic algae of the English Lake District and elsewhere were carried out. This article discusses the descriptive studies, epidemics and culture work, which was carried out in connection with these studies.

Water mites: predators and parasites

The majority of water mites found in freshwater belong to the Hydrachnellae, a group which exhibit striking morphological diversity. This paper reviews work on the structure, morphology and taxonomy. The role of water mites as predators, their life history and their parasitic associations with aquatic insect or freshwater mollusc hosts is discussed along with the distribution of water mites in the British Isles.

Delivery of Targeted Nanoparticles Across the Blood-Brain Barrier Using a Detachable Targeting Ligand

Chronic diseases of the central nervous system are poorly treated due to the inability of most therapeutics to cross the blood-brain barrier. The blood-brain barrier is an anatomical and physiological barrier that severely restricts solute influx, including most drugs, from the blood to the brain. One promising method to overcome this obstacle is to use endogenous solute influx systems at the blood-brain barrier to transport drugs. Therapeutics designed to enter the brain through transcytosis by binding the transferrin receptor, however, are restricted within endothelial cells. The focus of this work was to develop a method to increase uptake of transferrin-containing nanoparticles into the brain by overcoming these restrictive processes.

To accomplish this goal, nanoparticles were prepared with surface transferrin molecules bound through various liable chemical bonds. These nanoparticles were designed to shed the targeting molecule during transcytosis to allow increased accumulation of nanoparticles within the brain.

Transferrin was added to the surface of nanoparticles through either redox or pH sensitive chemistry. First, nanoparticles with transferrin bound through disulfide bonds were prepared. These nanoparticles showed decreased avidity for the transferrin receptor after exposure to reducing agents and increased ability to enter the brain in vivo compared to those lacking the disulfide link.

Next, transferrin was attached through a chemical bond that cleaves at mildly acidic pH. Nanoparticles containing a cleavable link between transferrin and gold nanoparticle cores were found to both cross an in vitro model of the blood-brain barrier and accumulate within the brain in significantly higher numbers than similar nanoparticles lacking the cleavable bond. Also, this increased accumulation was not seen when using this same strategy with an antibody to transferrin receptor, indicating that behavior of nanoparticles at the blood-brain barrier varies depending on what type of targeting ligand is used.

Finally, polymeric nanoparticles loaded with dopamine and utilizing a superior acid-cleavable targeting chemistry were investigated as a potential treatment for Parkinson’s disease. These nanoparticles were capable of increasing dopamine quantities in the brains of healthy mice, highlighting the therapeutic potential of this design. Overall, this work describes a novel method to increase targeted nanoparticle accumulation in the brain.

A behavior model for blood donors and marketing strategies to retain and attract them

Objective: analyze and propose a theoretical model that describes blood donor decisions to help staff working in blood banks (nurses and others) in their efforts to capture and retain donors. Methods: analysis of several studies on the motivations to give blood in Spain over the last six years, as well as past literature on the topic, the authors' experiences in the last 25 years in over 15 Non Governmental Organizations with different levels of responsibilities, their experiences as blood donors and the informal interviews developed during those 25 years. Results: a model is proposed with different internal and external factors that influence blood donation, as well as the different stages of the decision-making process. Conclusion: the knowledge of the donation process permits the development of marketing strategies that help to increase donors and donations.

Crustacés et Helminthes parasites de l'Albacore (Thunnus albacares) du Golfe de Guinée - note préliminaire

This note presents the results of a current study on the parasitism of the yellowfin Thunnus albacares in the Gulf of Guinea: a list of encountered crustaceans and helminths, remarks concerned with localisations, frequencies and intensities of the infestations is given. A hypothesis on the existence of three ecological stocks corresponding to three great fishing areas of the Gulf is suggested.

Estudo da resposta celular e apresentação antigênica dos fibrócitos na infecção por Leishmania (Leishmania) amazonensis

Os fibrócitos foram inicialmente identificados pelo seu recrutamento rápido para os tecidos lesionados e por atuar diretamente na resposta imune através do reconhecimento, apresentação antigênica e produção de citocinas e quimiocinas. Segundo Grab (2004) fibrócitos podem participar da resposta imune na leishmaniaose e por isso no presente estudo propomos analisar a resposta celular e apresentação antigênica dos fibrócitos na infecção por L. (L.) amazonensis. Para os experimentos in vivo camundongos C57BL/6 e knockout para o receptor TLR-2 foram inoculados na derme auricular com 105 formas promastigotas de L. (L.) amazonensis e 1, 7, 15 dias após a infecção as regiões de inóculo e os linfonodos foram retirados e processados para citometria de fluxo. Para os experimentos in vitro fibrócitos foram obtidos de mononucleares do sangue periférico de camundongos C57BL/6. Os fibrócitos foram avaliados quanto às suas características morfológicas e fenotípicas, infecção, expressão de MHC-II/B7-1/B7-2 e ativação de linfócitos T CD4+. As análises na região de inóculo mostraram o aumento no percentual de fibrócito na derme de camundongos após 15 dias de infecção tanto em animais C57BL/6 quanto em animais KO TLR-2. Neste sítio, os fibrócitos produziram citocinas e expressaram MHC-II, B7-1 e B7-2 podendo participar da resposta imune. As análises no linfonodo mostraram a existência de um alto percentual de fibrócitos nos animais controle, contudo, após infecção este percentual foi reduzido. Após infecção verificamos que os fibrócitos de animais WT C57BL/6 foram capazes de produzir as citocinas IL-4, IL-10 e IFN- durante o primeiro dia. Entretanto, na ausência de TLR-2 os fibrócitos presentes no linfonodo produziram TNF-α e IFN- que podem estar relacionadas com a ativação celular e aumento da capacidade de apresentação antigênica destas células durante a infecção. No linfonodo verificamos que os fibrócitos podem participar da apresentação antigênica após a infecção por L. (L.) amazonensis. Contudo, nos linfonodos de animais WT C57BL/6 observamos a redução significativa no percentual destas células expressando MHC-II e B7-1, o que pode estar relacionada a presença do TLR-2. Nos ensaios in vitro fibrócitos de camundongos C57BL/6 apresentaram alta capacidade endocítica, eliminaram os parasitas nas primeiras 24 horas de infecção, expressaram MHC-II/B7-1/B7-2 e foram capazes de ativar linfócitos T CD4+. Com isso, nossos resultados sugerem que os fibrócitos podem atuar na resposta celular e na apresentação antigênica durante a infecção por L. (L.) amazonensis, contudo estas funções podem ser moduladas pela participação do TLR-2 e pelo microambiente onde estes se encontram.

Sensing parasites: proteomic and advanced bio-detection alternatives

[EN] Parasitic diseases have a great impact in human and animal health. The gold standard for the diagnosis of the majority of parasitic infections is still conventional microscopy, which presents important limitations in terms of sensitivity and specificity and commonly requires highly trained technicians. More accurate molecular-based diagnostic tools are needed for the implementation of early detection, effective treatments and massive screenings with high-throughput capacities. In this respect, sensitive and affordable devices could greatly impact on sustainable control programmes which exist against parasitic diseases, especially in low income settings. Proteomics and nanotechnology approaches are valuable tools for sensing pathogens and host alteration signatures within microfluidic detection platforms. These new devices might provide novel solutions to fight parasitic diseases. Newly described specific parasite derived products with immune-modulatory properties have been postulated as the best candidates for the early and accurate detection of parasitic infections as well as for the blockage of parasite development. This review provides the most recent methodological and technological advances with great potential for biosensing parasites in their hosts, showing the newest opportunities offered by modern “-omics” and platforms for parasite detection and control.

Seroprevalence of Triatoma virus (Dicistroviridae: Cripaviridae) antibodies in Chagas disease patients

Background: Chagas disease is caused by Trypanosoma cruzi, and humans acquire the parasite by exposure to contaminated feces from hematophagous insect vectors known as triatomines. Triatoma virus (TrV) is the sole viral pathogen of triatomines, and is transmitted among insects through the fecal-oral route and, as it happens with T. cruzi, the infected insects release the virus when defecating during or after blood uptake. Methods: In this work, we analysed the occurrence of anti-TrV antibodies in human sera from Chagas disease endemic and non-endemic countries, and developed a mathematical model to estimate the transmission probability of TrV from insects to man, which ranged between 0.00053 and 0.0015. Results: Our results confirm that people with Chagas disease living in Bolivia, Argentina and Mexico have been exposed to TrV, and that TrV is unable to replicate in human hosts. Conclusions: We presented the first experimental evidence of antibodies against TrV structural proteins in human sera.

Soro-reatividade para hidatidose policística e análise sócio-epidemiológica em Sena Madureira, Acre - Brasil

Hidatidose policística é uma zoonose negligenciada causada pela larva do cestóide, Echinococcus vogeli, em habitantes de florestas úmidas da região neotropical. Caçar e alimentar cães com vísceras da caça são hábitos relatados nos indivíduos suspeitos ou com esta parasitose comprovada. O diagnóstico é baseado em dados clínicos, resultado de análise de imagens e detecção de anticorpos pelo teste de Immunoblot o que tem sido descrito para pacientes com a forma crônica da doença. Apenas nesta fase, os pacientes procuram por assistência médica. Este trabalho tem como objetivo avaliar a reatividade sorológica para hidatidose policística, caracterizar os aspectos epidemiológicos e avaliar a presença de enteroparasitoses nos indivíduos moradores de duas regiões de floresta em Sena Madureira (Acre). Os indivíduos concordaram em participar após apreciação do Termo de Consentimento Livre e Esclarecido. Por meio de questionário foram obtidas informações sobre identificação, endereço, sexo, idade e hábitos de caça. Foram coletadas amostras de sangue em 125 habitantes da unidade de conservação (Floresta Estadual do Antimary) e outra unidade de não conservação ambiental em Sena Madureira, onde foram obtidas 207 amostras de sangue. Os soros foram processados pelo teste de Immunoblot para a pesquisa de IgG, nas diluições 1:100 e 1:10, no Serviço de Referência Nacional em Hidatidose-IOC-Fiocruz. Na Unidade de conservação, 39,2% dos indivíduos apresentaram sorologia positiva e 17,4% na outra área. Demonstrou-se que existe diferença significativa entre as áreas, embora a correlação seja baixa. A maioria dos indivíduos reativos em ambas as áreas apresentou as bandas de 40kDA e 28kDa. Nas duas áreas de estudo não houve diferença significativa na reatividade em relação a faixa etária. O hábito de caçar entre os reativos foi de 100% dos indivíduos praticantes da caça na Unidade de conservação e na Unidade de não conservação foi de 88,9% dos indivíduos. A presença de um a três cães foi predominante nas duas áreas. A prática da caça e a presença de cães não teve associação significativa com a reatividade sorológica em ambas as áreas. A ocupação dos indivíduos reativos nas duas regiões foi predominantemente agricultores e estudantes. Em relação ao exame parasitológico não foi encontrado nenhum parasito nos indivíduos reativos que pudesse ter reação cruzada no teste imunológico. Conclui-se que existe diferença de reatividade entre as áreas, sendo que a Unidade de conservação tem maior número de indivíduos reativos. Não foi verificada associação entre a reatividade, o gênero, a faixa etária, prática de caça e presença de cães. Os indivíduos reativos também possuíam enteroparasitoses, porém estas não estão relacionadas com a possível reação cruzada no teste de Immunoblot. A presença das bandas de 40kDa e 28kDa no teste de Immunoblot podem ser uma característica do perfil sorológico de indivíduos de área endêmica que já entraram em contato com o parasito.

Lethal Parasites in Oysters from Coastal Georgia with Discussion of Disease and Management Implications

Extensive mortalities of oysters, Crassostrea virginica, occurred from 1985 through 1987 in coastal waters of Georgia. Fluid thioglycolate cultures of oysters collected from 16 of 17 locations revealed infections by the apicomplexan parasite Perkinsus marinus. An ascetosporan parasite, Haplosporidium nelsoni, was also observed in histopathological examination of oysters from 4 of the locations. While the range of H. nelsoni currently is recognized as the east coast of the United States from Maine to Florida, this is the first report of the parasite in Georgia waters. This paper documents the occurrence of these two lethal parasites in oysters from coastal waters of Georgia, along with potential disease and management implications. Results of an earlier independent and previously unpublished survey are also discussed which document the presence of P. marinus in Georgia as early as 1966.

Estudo imunológico e histopatológico da infecção experimental por Schistosoma mansoni em camundongos geneticamente selecionados para tolerância oral

A esquistossomose acomete 207 milhões de pessoas, com mais de 200 mil mortes anuais. Seu principal agente etiológico é o helminto Schistosoma e o principal modelo experimental, o camundongo. Linhagens de camundongos selecionadas geneticamente para susceptibilidade (TS) e resistência (TR) a tolerância imunológica constituem bons modelos para o estudo da resposta imunológica específica e inespecífica nas infecções. O objetivo deste trabalho foi caracterizar a infecção experimental por S. mansoni nestes camundongos, evidenciando a imunopatologia por diversos parâmetros na fase aguda da infecção. TR e TS não diferiram quanto a penetração de cercárias, recuperação de vermes adultos, fecundidade/produtividade de ovos das fêmeas de S. mansoni, mas predominaram ovos mortos em TS. Quanto maior o número de casais, maior a probabilidade de troca de casais e regressão sexual da fêmea, além de pequena redução da produtividade de ovos. Análise ultraestrutural dos parasitos machos recuperados de TS apresentaram tubérculos edemaciados, espinhos encurtados e em menor densidade que os parasitos dos TR. O tegumento dos parasitos recuperados de TS apresentou-se desorganizado, intensamente vacuolizado e com tendência a se desprender da superfície e espinhos internalizados e células vitelínicas desorganizadas. TS desenvolveram granulomas hepáticos grandes, com fibras radiais e predomínio do estágio exsudativo-produtivo com características de fase produtiva (EP/P), enquanto camundongos TR desenvolveram granulomas menores, com fibras concêntricas e predomínio de granulomas exsudativo-produtivos. TS desenvolveu hepatomegalia mais acentuada na fase aguda da infecção e exacerbada esplenomegalia na fase crônica. A aspartato aminotransferase mais elevada nos TR foi coerente com a acentuada histólise nos granulomas iniciais dos TR. É possível que a histólise menor em TS tenha contribuído para sua intensa hepatomegalia na fase aguda. Leucócitos totais séricos aumentaram em TS, nas fases aguda e crônica, mas não em TR. TS apresentaram anemia durante a fase crônica da infecção, possivelmente devido ao desvio na hematopoiese medular para a produção de leucócitos ou apoptose das hemácias. A mieloperoxidase neutrofílica hepática e no íleo foi maior em TS e a peroxidase de eosinófilos foi mais elevada no íleo do TS. Ambas as linhagens produziram IFN-γ, mas os níveis funcionais de IFN-γ foram diferentes nas duas linhagens em cultura de células. É possível que a imunopatologia hepática grave na linhagem TS possa estar relacionada aos altos títulos IFN-γ. TS produziu IL-10 em maior quantidade, entretanto esta citocina não foi capaz de regular o crescimento exacerbado dos granulomas hepáticos. Altos títulos de IL-4 na linhagem TS também são coerentes com a exacerbação dos granulomas, pois, como a IL-13, a IL-4 induz síntese de colágeno e está relacionada ao desenvolvimento da fibrose no granuloma esquistossomótico. Observamos redução do percentual relativo de células T CD4+ hepáticas de animais infectados em ambas as linhagens e redução percentual nas subpopulações de linfócitos B na medula óssea (precursores, linfócitos B imaturos, maduros e plasmócitos) mais acentuada em TS que em TR, possivelmente devido a extensa mobilização de B imaturos induzida pela inflamação ou desvio da hematopoiese para síntese de granulócitos em TS. Quantitativamente, TR não alterou suas subpopulações de linfócitos B. TS e TR são bons modelos para estudo da resposta imunológica na infecção esquistossomótica experimental. Novos estudos são necessários para confirmar nossas propostas e compreender os mecanismos envolvidos na diferença da resposta imunológica dessas linhagens na relação schistosoma-hospedeiro.

Estudo do metabolismo mitocondrial e da resposta anti-apoptótica de células endoteliais humanas durante a evolução da infecção por taquizoítos de Toxoplasma gondii

A toxoplasmose é uma zoonose amplamente distribuída que afeta mais de um terço da população mundial e de grande importância na saúde pública. A maioria das infecções em humanos por Toxoplasma gondii é assintomática. A toxoplasmose é amplamente investigada visto que se apresenta como uma doença grave em pessoas imunodeprimidas (portadores da síndrome da imunodeficiência adquirida (SIDA), não tratados, indivíduos transplantados, paciente em tratamento quimioterápico ou em uso de drogas supressoras e gestantes). A toxoplasmose congênita frequentemente pode levar ao aborto espontâneo ou até mesmo resultar na formação de crianças com algum grau de atraso no desenvolvimento mental e/ou físicos, deste modo, a transmissão congênita pode ser muito mais importante do que se pensava, pois os parasitos encontrados na circulação sanguinea são capazes de infectar as células endoteliais dos vasos e os tecidos circunjacentes, podendo resultar no encistamento do T. gondii. Atualmente a toxoplasmose vem sendo investigada devido a sua associação a inúmeras outras doenças, assim, estudos sobre a evolução da infecção por T. gondii em diferentes tipos de células hospedeiras se fazem necessários para uma abordagem terapêutica adequada. Ao invadir a célula hospedeira o parasito possui a capacidade de recrutar as mitocôndrias promovendo mudanças na organização mitocondrial ao longo da progressão da infecção, garantindo um ambiente favorável a sua multiplicação. Diante disso, investigamos se o parasito possui a capacidade de interferir no metabolismo mitocondrial e na resposta apoptótica da célula endotelial. O presente trabalho teve como objetivo analisar o metabolismo mitocondrial através da respirometria de alta-resolução e da resposta apoptótica através do western blotting das células endoteliais da veia umbilical humana (HUVEC) infectadas por 2, 6 e 20 horas por taquizoítos de T. gondii. A respirometria de alta-resolução revelou que o parasito interfere no metabolismo energético da célula hospedeira. A análise do conteúdo de proteínas da família Bcl-2 por western blotting revelou maior estímulo apoptótico no tempo inicial de infecção, quando comparado aos demais tempos. Os resultados dos conteúdos de caspase 3, proteína efetora da apoptose, não demonstrou diferença nos tempos iniciais de infecção Entretanto, em tempos mais tardios, o conteúdo de caspase 3 mostrou-se significativamente aumentado quando comparado às HUVEC não infectadas. A dinâmica de replicação do parasito foi observada através do monitoramento pelo sistema Time-Lapse Nikon BioStation IMQ em tempo real das células infectadas por T.gondii. Portanto, nossos resultados sugerem que o protozoário ao recrutar as mitocôndrias da célula hospedeira interfere no metabolismo mitocondrial e na modulação da apoptose para garantir um ambiente favorável a sua multiplicação.