Автор AZoNano 26 ноября 2020 г.

Квантовые способности наноалмазов могут быть использованы для повышения чувствительности бумажных диагностических тестов, потенциально позволяя раньше обнаруживать такие заболевания, как ВИЧ, согласно исследованию, проведенному исследователями UCL в i-sense Группа МакКендри.

Тесты бокового потока на бумаге работают так же, как тест на беременность, в том смысле, что полоска бумаги пропитывается образцом жидкости, и изменение цвета – или флуоресцентный сигнал – указывает на положительный результат и обнаружение вирусных белков или ДНК.

Они широко используются для обнаружения вирусов от ВИЧ до SARS-CoV-2 (тесты бокового потока на Covid-19 в настоящее время апробируются по всей Англии) и могут обеспечить быструю диагностику, поскольку результаты не нужно обрабатывать в лаборатории.

Новое исследование, опубликованное в Nature показало, что недорогие наноалмазы можно использовать для сигнализации о наличии маркера заболевания ВИЧ с чувствительностью, во много тысяч раз большей, чем у наночастиц золота, широко используемых в эти испытания.

Эта более высокая чувствительность позволяет обнаруживать более низкую вирусную нагрузку, что означает, что тест может выявить более низкие уровни заболевания или выявить заболевание на более ранней стадии, что имеет решающее значение для снижения риска передачи инфицированных людей и для эффективного лечения таких заболеваний, как как ВИЧ.

Исследовательская группа работает над адаптацией новой технологии для тестирования на COVID-19 и другие заболевания в ближайшие месяцы. Следующим ключевым шагом является разработка портативного устройства, которое может «считывать» результаты, поскольку этот метод был продемонстрирован с помощью микроскопа в лаборатории. Планируются также дальнейшие клинические оценочные исследования.

Ведущий автор, профессор Рэйчел МакКендри, профессор биомедицинских нанотехнологий в UCL и директор i-sense EPSRC IRC, сказала: «Наше экспериментальное исследование показывает, как квантовые технологии можно использовать для обнаружения сверхнизких уровней вируса. в образце пациентов, что позволяет поставить диагноз гораздо раньше.

«Мы сосредоточились на обнаружении ВИЧ, но наш подход очень гибкий и может быть легко адаптирован к другим заболеваниям и типам биомаркеров. Мы работаем над адаптацией нашего подхода к COVID-19. Мы считаем, что это новая революционная технология принесет пользу пациентам и защитит население от инфекционных заболеваний ».

Исследователи использовали квантовые свойства наноалмазов, изготовленных с точным несовершенством. Этот дефект в очень регулярной структуре алмаза создает так называемый азотно-вакансионный (NV) центр. NV-центры имеют множество потенциальных применений, от флуоресцентной биомаркировки для использования в сверхчувствительной визуализации до кубитов обработки информации в квантовых вычислениях.

NV-центры могут сигнализировать о присутствии антигена или другой целевой молекулы, испуская яркий флуоресцентный свет. В прошлом флуоресцентные маркеры были ограничены фоновой флуоресценцией образца или тест-полоски, что затрудняло обнаружение низких концентраций вирусных белков или ДНК, которые указывали бы на положительный результат теста.

Однако квантовые свойства флуоресцентных наноалмазов позволяют избирательно модулировать их излучение, то есть сигнал может быть зафиксирован на заданной частоте с помощью микроволнового поля и может быть эффективно отделен от фоновой флуоресценции, устраняя это ограничение.

Оптические результаты показали улучшение чувствительности на пять порядков (в 100 000 раз) по сравнению с наночастицами золота (то есть для генерации детектируемого сигнала требовалось гораздо меньшее количество наночастиц).

С включением короткого 10-минутного этапа амплификации при постоянной температуре, на котором размножались копии РНК, исследователи смогли обнаружить РНК ВИЧ на уровне отдельной молекулы в модельном образце.

Работа была продемонстрирована в лабораторных условиях, но команда надеется разработать тесты, чтобы результаты можно было считывать с помощью смартфона или портативного флюоресцентного ридера. Это означает, что в будущем тест можно будет проводить в условиях нехватки ресурсов, что сделает его более доступным для пользователей.

Первый автор Доктор Бен Миллер (научный сотрудник i-sense из Лондонского центра нанотехнологий в UCL) сказал: «Бумажные тесты поперечного потока с наночастицами золота не требуют лабораторного анализа, что делает их особенно полезными в в условиях нехватки ресурсов и ограниченного доступа к медицинскому обслуживанию. Они недороги, портативны и удобны в использовании.

«Однако этим тестам в настоящее время не хватает чувствительности для обнаружения очень низких уровней биомаркеров. Заменив обычно используемые наночастицы золота флуоресцентными наноалмазами в этой новой конструкции и выборочно модулируя их (и без того яркое) излучение света, мы смогли отделить свой сигнал от нежелательной фоновой флуоресценции тест-полоски, что значительно повысило чувствительность ».

Соавтор, профессор Джон Мортон, директор Института квантовой науки и технологий (UCLQ) UCL, сказал: «Это междисциплинарное сотрудничество между UCLQ и командой i-sense в LCN является фантастической иллюстрацией того, как фундаментальная работа в квантовых системах, таких как NV-центр в алмазе, могут развиваться из лаборатории и играть решающую роль в реальных приложениях в области зондирования и диагностики. Исследователи из UCLQ изучают и применяют влияние этих и других квантовых технологий, работая с промышленностью и другие академические исследовательские группы ".

Исследование было проведено междисциплинарной группой исследователей i-sense из UCL, UCLH и Оксфордского университета под руководством Лондонского центра нанотехнологий в UCL. i-sense – это междисциплинарное исследовательское сотрудничество (IRC), финансируемое Советом по исследованиям в области инженерных и физических наук Великобритании (EPSRC).

Эта работа финансировалась EPSRC Великобритании, Королевским обществом, Лондонским центром нанотехнологий, Европейским исследовательским советом H2020, Доверительным фондом UCLH NHS Foundation Trust и при поддержке Национального института медицинских исследований Университетского колледжа Лондонского больничного центра биомедицинских исследований.

Источник: https://www.ucl.ac.uk/