Un romanzo, basso

Jun 07, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12084 (2023) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Il rilevamento rapido e accurato della carica batterica è diventato sempre più necessario per le applicazioni alimentari, sanitarie, farmaceutiche e ambientali. Per rilevare la carica batterica in modo accurato e altamente sensibile, abbiamo fabbricato un nuovo dispositivo microfluidico con un filtro integrato per intrappolare le cellule. La carica batterica viene rilevata sulla carta da filtro in situ utilizzando la reazione redox della resorufina con etichetta fluorescente e per la misurazione della fluorescenza viene utilizzato un fluorimetro multicanale portatile. Il dispositivo microfluidico è stato fabbricato in modo facile, economico e rapido con incollaggio termicamente assistito indotto da microonde. Per caratterizzare la qualità di legame delle cassette microfluidiche, sono stati eseguiti diversi test e il materiale e le dimensioni della carta da filtro sono stati ottimizzati. I campioni batterici di coltura primaria di Bacillus subtilis sono stati filtrati attraverso il dispositivo per convalidare e analizzare i parametri di prestazione. I nostri risultati mostrano che un limite di rilevamento (LOD) di 0,037 CFU/mL può essere raggiunto attraverso questo dispositivo microfluidico mentre il LOD in una normale cassetta microfluidica nel fluorimetro e nello spettrofotometro golden standard sono rispettivamente 0,378 e 0,128 CFU/mL. I risultati mostrano che attraverso questa cassetta microfluidica è possibile un miglioramento del LOD da tre a dieci volte ed è possibile un rilevamento più sensibile a seconda del volume filtrato entro 3 minuti rapidi. Questo nuovo dispositivo microfluidico insieme al fluorimetro può essere utilizzato come strumento portatile rapido per il rilevamento batterico altamente sensibile, accurato e ad alta produttività per diverse applicazioni.

Ogni anno milioni di persone si ammalano e muoiono a causa della contaminazione di cibo, acqua o medicinali1. Secondo l’Organizzazione Mondiale della Sanità2, il carico globale di malattie pari al 45% è attribuito alla carica batterica. Nella produzione di prodotti biofarmaceutici, anche la contaminazione associata alla carica batterica costituisce una delle principali preoccupazioni3. Di conseguenza, i dispositivi diagnostici sono diventati sempre più importanti per identificare i batteri e la loro sensibilità agli antibiotici4,5. Per il rilevamento della carica batterica sono disponibili molti metodi analitici: bioluminescenza6 dell'adenosina trifosfato, citometria a flusso7, amplificazione dell'acido nucleico8, respirazione7, metodi di impedenza8 e rilevamento di anticorpi7, per citarne solo alcuni. La maggior parte delle tecniche di rilevamento richiedono un tempo di rilevamento relativamente lungo (da 3 ore a 7 giorni)9. Inoltre, quando i tassi di rilevamento sono sufficientemente rapidi, i costi e la sensibilità diventano limiti10,11,12. Attualmente, i test di vitalità cellulare vengono spesso utilizzati nello sviluppo di farmaci per studiare fattori di crescita, citochine e agenti citotossici in grado di rilevare rapidamente cellule e batteri vitali. Negli ultimi anni, la resazurina è stata utilizzata nelle misurazioni della vitalità cellulare per misurare la riduzione dell’ossidazione di un dato campione. Per rilevare la carica batterica rapidamente e in modo sensibile, il nostro studio precedente13 ha dimostrato l'uso di un fluorimetro portatile alimentato tramite USB per rilevare le cellule vitali in un dato campione in base al rilevamento di resorufina ad alta resa quantica dalla resazurina. In questo sistema a basso costo, la pendenza dell'intensità della fluorescenza fungeva da criterio per rilevare la carica batterica. Le cellule vitali sono state monitorate utilizzando il colorante indicatore redox resazurina. Il campione in esame è stato arricchito con resazurina e caricato in una cassetta microfluidica dal design speciale e la velocità di trasformazione della resazurina in resorufina è stata osservata tramite il fluorimetro. Per rilevare la carica batterica con maggiore sensibilità, in questo studio viene introdotto un nuovo dispositivo microfluidico con un filtro integrato per la filtrazione e il rilevamento automatizzati con il fluorimetro e il test riportati.

La microfluidica è diventata una tecnologia potente negli ultimi decenni e ha trovato applicazioni in diverse aree di ricerca di frontiera che includono la chimica analitica14, i prodotti farmaceutici15, la sintesi di sostanze chimiche16 e l'applicazione clinica17,18. Le tecnologie microfluidiche sono state recentemente applicate anche agli studi sui microrganismi. I dispositivi microfluidici con scala microscopica e integrazione su larga scala offrono molti vantaggi speciali tra cui basso costo, maggiore produttività e maggiore efficienza nell'analisi dei microrganismi19,20,21,22,23 e nella persistenza degli antibiotici24. I recenti sviluppi nel campo della microfluidica utilizzano anche la carta da filtro come mezzo per intrappolare e rilevare i batteri e stanno diventando popolari grazie al basso costo e alla facilità di accesso, lavorazione, modifica e smaltimento25,26. Tuttavia, i dispositivi microfluidici basati su carta segnalati hanno un limite di rilevamento (LOD) molto elevato, compreso tra 57 e 500 CFU/mL, e una bassa precisione27,28,29,30. I dispositivi spesso richiedono modifiche complesse, ad esempio funzionalizzazione degli anticorpi, immobilizzazione di nanoparticelle e polimerizzazione UV per i modelli sulla carta da filtro per il rilevamento27,28,29,30. Inoltre, i dispositivi sono spesso specifici per un determinato ceppo di rilevamento batterico a causa di una determinata funzionalizzazione degli anticorpi27,28,29,30. Questi inconvenienti impediscono l’ampio utilizzo di dispositivi microfluidici basati su carta da filtro rapidi, facili ed economici nel rilevamento batterico, soprattutto nelle applicazioni sul campo.