Study, modeling and optimization of a Lab-On-Chip for genomic diagnosis

There is a growing interest in genomics, the branch of molecular biology that deals with mapping DNA sequences to obtain important information. In the 80s, genomic sequencing began thanks to the technological progress achieved. Through the HGP (human genome project) in the year 2013 the mapping of human DNA has been completed. Together with the possibilities offered by sequencing, many applications have been developed that use the information that can be obtained from it. First of all, the knowledge of the genome belonging to a virus allows, through appropriate techniques, to reveal its presence in a biological sample, going to determine the occurrence of an infection by a patient. Secondly, the knowledge of the function of a certain genetic sequence and its identification allow to diagnose hereditary diseases early, or to develop potentially more individualized therapeutic treatments. Among the current research topics, the study of comparative gene expression plays an important role, whose objective is to identify possible subgroups of genes which have different gene expressions. To allow the detection of known DNA sequences, they need to be amplified, so that their concentration is enough to be detected by current technology tools. Polymerase Chain Reaction (PCR) is a molecular biology technique that allows the amplification of DNA sequences of interest and is the basis of many test applications. STMicroelectronics has developed Q3, a device capable of performing RT-PCR analysis with an integrated approach. It is portable and compact, which includes a Lab-on-a-chip and uses MEMS (Micro Electro-Mechanical System) technology. The system consists of three elements, the thermal control one, the optical detection one and finally a disposable cartridge in which to introduce up to six samples to be analyzed and in which the polymerization reaction takes place. In this thesis work, a problem concerning the thermal module was analyzed; to realize the polymerization reaction it is necessary that the cartridge temperature control is very accurate, but it is known from the practical uses that the biological samples during the reaction cycle reach different temperatures. The purpose of this work is to analyze the actual disparity of temperature between the different samples, to measure the entity, and to make changes on the device to achieve a greater thermal uniformity.

C'è un crescente interesse per la genomica, il ramo della biologia molecolare che si occupa della mappatura delle sequenze di DNA per ottenere informazioni importanti. Negli anni '80, il sequenziamento genomico è iniziato grazie ai progressi tecnologici raggiunti. Attraverso l'HGP (progetto del genoma umano) nell'anno 2013 è stata completata la mappatura del DNA umano. Insieme alle possibilità offerte dal sequenziamento, sono state sviluppate molte applicazioni che utilizzano le informazioni che possono essere ottenute da esso. Innanzitutto, la conoscenza del genoma di un virus consente, attraverso tecniche appropriate, di rivelare la sua presenza in un campione biologico, andando a determinare l'insorgenza di un'infezione da parte di un paziente. In secondo luogo, la conoscenza della funzione di una determinata sequenza genetica e la sua identificazione consentono di diagnosticare precocemente malattie ereditarie o di sviluppare terapie potenzialmente più individualizzate. Tra gli argomenti di ricerca attuali, lo studio dell'espressione genica comparativa gioca un ruolo importante, il cui obiettivo è identificare possibili sottogruppi di geni che hanno espressioni geniche diverse. Per consentire il rilevamento di sequenze di DNA conosciute, devono essere amplificate, in modo che la loro concentrazione sia sufficiente per essere rilevata dagli attuali strumenti tecnologici. Polymerase Chain Reaction (PCR) è una tecnica di biologia molecolare che consente l'amplificazione di sequenze di DNA di interesse ed è alla base di molte applicazioni di test. La STMicroelectronics ha sviluppato Q3, un dispositivo in grado di eseguire analisi RT-PCR con un approccio integrato. È portatile e compatto, che include un Lab-on-a-chip e utilizza la tecnologia MEMS (Micro Electro-Mechanical System). Il sistema consiste di tre elementi, uno di controllo termico, uno di rivelazione ottica ed infine una cartuccia monouso in cui introdurre fino a sei campioni da analizzare e in cui avviene la reazione di polimerizzazione. In questo lavoro di tesi è stato analizzato un problema relativo al modulo termico; per realizzare la reazione di polimerizzazione è necessario che il controllo della temperatura della cartuccia sia molto accurato, ma dagli usi pratici è noto che i campioni biologici durante il ciclo di reazione raggiungono temperature diverse. Lo scopo di questo lavoro è analizzare l'effettiva disparità di temperatura tra i diversi campioni, misurare l'entità e apportare modifiche al dispositivo per ottenere una maggiore uniformità termica.