Investigación en espectroscopía de fluorescencia intrínseca de glóbulos rojos infectados con Plasmodium falciparum y diseño de un espectrofluorímetro portátil para su detección

Abstract

En esta investigación se realizaron análisis espectrales mediante espectroscopía óptica de fluorescencia UV-VIS para estudiar los cambios en la fluorescencia intrínseca (autofluorescencia) de los glóbulos rojos infectados con Plasmodium falciparum, uno de los parásitos causante de la malaria, a partir de cultivos in vitro. El objetivo principal fue proponer un nuevo método físico de diagnóstico de la malaria basado en la autofluorescencia, que pueda ser implementado en un dispositivo de bajo costo y fabricado con componentes de fácil adquisición. Para lograr este objetivo, se realizaron mediciones de autofluorescencia de glóbulos rojos sanos e infectados, utilizando barridos espectrales en un rango de 255 nm a 640 nm, abarcando un total de 76 longitudes de onda de excitación. Asimismo, se caracterizaron diversos materiales con el potencial de ser utilizados como filtros ópticos, fuentes de excitación y detectores de autofluorescencia. Entre los principales resultados, se identificaron dos longitudes de onda de excitación en la región del ultravioleta (UV-A), 315 nm y 320 nm, que permiten diferenciar claramente las muestras de glóbulos rojos sanos de las infectadas. Estas longitudes de onda generaron picos de emisión máxima en el ultravioleta entre 350 nm a 366 nm, con una diferencia máxima observada en el borde superior del UV cercano, muy próximo al violeta visible a 374 y 380 nm respectivamente. Las muestras infectadas mostraron un incremento en la intensidad de fluorescencia superior al 70% en la región del ultravioleta y más del doble en la región del violeta-azul, lo cual podría estar relacionado con la presencia de fluoróforos derivados del metabolismo del parásito, así como con la disminución de proteínas estructurales, como la hemoglobina. A partir de estos resultados, se propone el diseño de un espectrofluorímetro portátil para la detección del parásito de la malaria, con el objetivo de trasladar los hallazgos experimentales a una solución práctica y accesible en el campo del diagnóstico clínico. Este dispositivo estaría basado en los principios de espectroscopía óptica de fluorescencia UV-VIS, utilizando las longitudes de onda identificadas (315 nm y 320 nm) como fuentes de excitación específicas que permiten distinguir de manera clara los glóbulos rojos infectados de los sanos. El diseño contempla componentes de bajo costo y fácil adquisición, tales como: LEDs emisores en el rango UV-A como fuente de excitación. Filtros ópticos seleccionados según las caracterizaciones realizadas, para aislar eficientemente las bandas de emisión relevantes (380–450 nm). LEDs como sensores sensibles a la región del UV cercano y azul, acoplados a sistemas de adquisición y procesamiento de señal. Además, se plantea la posibilidad de integrar el espectrofluorímetro con dispositivos móviles mediante conexiones inalámbricas, lo que facilitaría el almacenamiento, análisis y envío de datos clínicos en contextos rurales o con acceso limitado a laboratorios especializados. Desde el punto de vista social y epidemiológico, esta propuesta representa una alternativa tecnológica innovadora que podría complementar los métodos actuales de diagnóstico, reduciendo costos y tiempos de respuesta, y permitiendo una intervención más rápida en zonas endémicas. La sensibilidad del dispositivo ante los cambios espectrales derivados de la presencia del parásito ofrece un enfoque no invasivo y escalable, especialmente útil en campañas de vigilancia activa y tamizaje poblacional. (Tomado de la fuente)

In this research, spectral analysis by UV-VIS optical fluorescence spectroscopy was performed to study the changes in intrinsic fluorescence (autofluorescence) of red blood cells infected with Plasmodium falciparum, one of the parasites that cause malaria, from in vitro cultures. The main objective was to propose a new physical method for malaria diagnosis based on autofluorescence, which can be implemented in a low-cost device made of easily available components. To achieve this goal, autofluorescence measurements of healthy and infected red blood cells were performed using spectral scans in a range from 255 nm to 640 nm, covering a total of 76 excitation wavelengths. In addition, several materials with the potential to be used as optical filters, excitation sources and autofluorescence detectors were characterized. Among the main results, two excitation wavelengths were identified, 315 nm and 320 nm, which allow a clear differentiation between healthy and infected red blood cell samples. These wavelengths generated maximum emission peaks in the ultraviolet region (UV-A) between 350 nm to 366 nm, with a maximum difference observed at the upper edge of the near-UV, very close to visible violet at 374 and 380 nm, respectively. Infected samples showed an increase in fluorescence intensity of more than 70% in the ultraviolet region and more than double in the violet-blue region, which could be related to the presence of fluorophores derived from parasite metabolism, as well as to the decrease in structural proteins, such as hemoglobin. Based on these results, the design of a portable spectrofluorometer for the detection of the malaria parasite is proposed, with the aim of transferring the experimental findings to a practical and accessible solution in the field of clinical diagnosis. This device would be based on the principles of UV-VIS fluorescence optical spectroscopy, using the identified wavelengths (315 nm and 320 nm) as specific excitation sources that allow to clearly distinguish infected red blood cells from healthy ones. The design contemplates low-cost and easy-to-acquire components, such as: Emitting LEDs in the UV-A range as excitation source. Optical filters selected according to the characterizations performed, to efficiently isolate the relevant emission bands (380-450 nm). LEDs as sensors sensitive to the near-UV and blue region, coupled to signal acquisition and processing systems. In addition, the possibility of integrating the spectrofluorometer with mobile devices through wireless connections is proposed, which would facilitate the storage, analysis and sending of clinical data in rural contexts or with limited access to specialized laboratories. From a social and epidemiological point of view, this proposal represents an innovative technological alternative that could complement current diagnostic methods, reducing costs and response times, and allowing faster intervention in endemic areas. The device's sensitivity to spectral changes derived from the presence of the parasite offers a noninvasive and scalable approach, especially useful in active surveillance and population screening campaigns.