Ridefinizione dell'Hardware e degli Algoritmi Computazionali per la Misura della Bilirubina e dell'Ematocrito in un Dispositivo Point-of-Care per i Paesi in Via di Sviluppo

L'iperbilirubinemia neonatale (NH) colpisce oltre la metà dei neonati a livello globale, con casi gravi che rischiano danni neurologici o morte. Mentre i paesi sviluppati beneficiano di linee guida e accesso alle cure che consentono di mitigare questi rischi, le risorse limitate dei paesi a basso e medio reddito (LMIC) aumentano la vulnerabilità dei pazienti agli effetti neurotossici della bilirubina. Sebbene gli strumenti di laboratorio offrano un’elevata precisione, il loro costo e complessità li rendono impraticabili nei contesti a basse risorse e i metodi più semplici spesso non offrono prestazioni analitiche adeguate. La spettrofotometria diretta, in particolare di riflettanza, offre una promettente alternativa per dispositivi portatili e point-of-care (POC), sebbene l'interferenza dell’emoglobina nei campioni neonatali resti una sfida. L’ematocrito (HCT) è anch’esso essenziale per valutare le condizioni cliniche e orientare il trattamento della NH, in particolare durante la fototerapia. La misurazione tradizionale dell’HCT si basa su apparecchiature costose o metodi manuali soggetti a errori. Questa tesi esplora un approccio per stimare l’HCT utilizzando lo stesso ridotto campione ematico impiegato per la misurazione della bilirubina su spettrofotometro di riflettanza. Inoltre, questo lavoro affronta le barriere regolatorie e infrastrutturali LMIC, dove l’inadeguatezza delle strutture, i sistemi sanitari frammentati e una limitata supervisione regolatoria impediscono la diffusione dei diagnostici, anche essenziali. Gli studi presentati dimostrano che dispositivi portatili basati sulla spettrofotometria di riflettanza possono ottenere accuratezza e affidabilità senza l'uso di componenti elettronici, ottici o chimici costosi, preservandone semplicità ed economicità. È stato progettato, ottimizzato e testato con successo un algoritmo di compensazione dell’interferenza dell’emoglobina utilizzando due lunghezze d’onda, applicato su diverse concentrazioni di bilirubina ed emoglobina. Nella seconda parte, è stato sviluppato e testato un algoritmo per stimare l'ematocrito basato sulla velocità di penetrazione del plasma attraverso una membrana di nitrocellulosa, confermandone il potenziale per lo screening neonatale. Questo innovativo algoritmo può operare parallelamente alla misurazione della bilirubina sullo stesso campione, riducendone il volume richiesto e i tempi di risposta, fornendo al contempo informazioni preziose per i clinici. Infine, la terza parte analizza le sfide per la diffusione e l’uso dei diagnostici nei contesti a risorse limitate, esplorando i ruoli dei produttori, dell’Organizzazione Mondiale della Sanità e delle Agenzie Regolatorie Nazionali nel supportare la fornitura di dispositivi in queste regioni. Questo lavoro mette in evidenza due strumenti promettenti: i criteri A.S.S.U.R.E.D. e la Pre-Qualificazione dei dispositivi in vitro combinata con la Procedura di Registrazione Collaborativa, offrendo una rassegna dei progressi attuali e delle prospettive future con l’obiettivo di allineare gli interessi economici dei produttori con il miglioramento dei risultati sanitari nei paesi in via di sviluppo.

Neonatal Hyperbilirubinemia (NH) affects over half of newborns globally, with severe cases risking neurological damage or death. While developed countries benefit from guidelines and accessible healthcare to mitigate these risks, limited resources in low- and middle-income countries (LMICs) increase vulnerability. Although laboratory-grade instruments offer high accuracy, their cost and complexity make them impractical for low-resource settings, and simpler methods often lack necessary precision. Direct spectrophotometry offers a promising alternative for portable, point-of-care (POC) devices, though hemoglobin interference in neonatal samples remains a challenge. Hematocrit (HCT) is also essential for assessing neonatal health and guiding NH treatment, especially phototherapy. Traditional HCT measurement relies on costly equipment or manual methods prone to error. This thesis explores an approach to estimate HCT using the same small sample employed for bilirubin measurement on a simplified photometric device. Additionally, this work addresses regulatory and structural barriers in LMICs, where inadequate infrastructure, fragmented health systems, and limited regulatory oversight restrict the diffusion of even essential diagnostics. The studies presented here demonstrate that portable, direct spectrophotometry-based devices can achieve accuracy and reliability without the use of expensive electronic, optical, or chemical components, preserving simplicity and cost-effectiveness. A hemoglobin interference compensation algorithm utilizing two wavelengths has been designed, optimized, and successfully tested across a range of bilirubin and hemoglobin concentrations. In the second part, an algorithm for estimating hematocrit based on plasma penetration velocity through a nitrocellulose membrane was developed and tested across various hematocrit levels, confirming its potential for neonatal screening. This novel algorithm can operate alongside bilirubin measurement on the same reflectance photometer and sample, reducing sample volume and turnaround time while providing clinicians with valuable information. Finally, the third part analyzes the challenges of diagnostic diffusion and use in resource-limited settings, exploring the roles of manufacturers, the World Health Organization, and National Regulatory Agencies in supporting the supply of devices in these regions. This work highlights two promising frameworks—the A.S.S.U.R.E.D. criteria and the Pre-Qualification of in vitro devices combined with the Collaborative Registration Procedure—offering a review of current advancements and future prospects aimed at aligning manufacturers’ economic interests with improved health outcomes in developing countries.