Mikroskop, der detekterer individuelle vira, kunne drive hurtig diagnostik

En hurtig, lavpristeknik til at se og tælle vira eller proteiner fra en prøve i realtid, uden kemikalier eller farvestoffer, kunne understøtte en ny klasse af enheder til hurtig diagnostik og overvågning af viral belastning, herunder HIV og den virus, der forårsager COVID-19.

Forskere ved University of Illinois Urbana-Champaign beskrev teknikken, kaldet fotonisk resonator interferometrisk spredningsmikroskopi, eller PRISM, i journalen Naturkommunikation .

"Vi har udviklet en ny form for mikroskopi, der forstærker interaktionen mellem lys og biologiske materialer. Vi kan bruge den til meget hurtige og følsomme former for diagnostisk testning, og også som et meget kraftfuldt værktøj til at forstå biologiske processer på skalaen af ​​individuelle emner, som at tælle individuelle proteiner eller registrere individuelle proteininteraktioner, " sagde studieleder Brian Cunningham, Intel Alumni Endowed Chair for elektro- og computerteknik og medlem af Holonyak Micro and Nanotechnology Lab og Carl R. Woese Institute for Genomic Biology i Illinois.

I optiske mikroskoper, lys preller af alle molekyler eller vira, det støder på på et dias, skabe et signal. I stedet for en almindelig glasrute, PRISM-teknikken anvender fotonisk krystal:en nanostruktureret glasoverflade, der på glimrende vis kun reflekterer én bølgelængde af lys. Cunninghams gruppe designede og fremstillede en fotonisk krystal, der reflekterer rødt lys, så lyset fra en rød laser ville blive forstærket.

"De molekyler, vi kigger på - i denne undersøgelse, vira og små proteiner - er ekstremt små. De kan ikke sprede nok lys til at skabe et signal, der kan detekteres af et konventionelt optisk mikroskop, " sagde kandidatstuderende Nantao Li, avisens første forfatter. "Fordelen ved at bruge den fotoniske krystal er, at den forstærker lysets intensitet, så det er lettere at detektere disse signaler og gør os i stand til at studere disse proteiner og vira uden nogen kemiske mærker eller farvestoffer, der kan ændre deres naturlige tilstand eller hindre deres aktivitet - vi kan bare brug det iboende spredningssignal som måleren til at bestemme, om disse molekyler er til stede."

Forskerne bekræftede deres teknik ved at opdage den virus, der forårsager COVID-19. PRISM opdagede individuelle coronavirus, da de rejste hen over diasets overflade. Forskerne brugte også PRISM til at påvise individuelle proteiner som ferritin og fibrinogen. Teknikken kunne gøre det muligt for forskere at studere sådanne biologiske mål i deres naturlige tilstande - at se på, hvordan proteiner interagerer, for eksempel - eller forskere kunne så overfladen af ​​det fotoniske krystalglas med antistoffer eller andre molekyler for at fange de målrettede emner og holde dem på plads.

"Det tager 10 sekunder at få en måling, og i den tid kan vi tælle antallet af vira fanget på sensoren, " sagde Cunningham. "Det er en enkelt-trins detektionsmetode, der virker ved stuetemperatur. Det er også hurtigt, meget følsomme og lave omkostninger. Det er meget forskelligt fra den standard måde, vi laver viral test på nu, som involverer at bryde vira op, udvinde deres genetiske materiale og sætte det igennem en kemisk amplifikationsproces, så vi kan opdage det. Den metode, kaldet PCR, er nøjagtig og følsom, men det kræver tid, specialiseret udstyr og uddannede teknikere."

Cunninghams gruppe arbejder på at inkorporere PRISM-teknologi i bærbare, hurtige diagnostiske enheder til COVID-19 og HIV-virusbelastningsovervågning. Gruppen udforsker prototype-enheder, der inkorporerer filtre til blodprøver og endda kondensationskamre til udåndingsprøver.

"Vi vil også bruge dette som et forskningsværktøj til biologi og kræft, " sagde Cunningham. "Vi kan bruge det til at forstå proteininteraktioner, der er en del af sygdomsprocesser. Vi er interesserede i at bruge det til at opdage disse små vesikler, som kræftceller udskiller, og for at se hvilke væv de kommer fra, til diagnose, og også for at studere, hvilken last de transporterer fra kræftcellerne."