Blod, sved og vand:Nye papiranalytiske enheder sporer nemt sundhed og miljø

Når du skal måle antallet af hvide blodlegemer, involverer det som regel ture til klinikker og dyrt udstyr til analyse. Ligeledes kan det være en langvarig proces at kontrollere vandkvaliteten for forurenende stoffer.

Men nu kommer Tufts-forskere med måder at udføre nogle af disse test på, som i høj grad sænker omkostningerne og gør dem mere tilgængelige. De bruger noget allestedsnærværende:papir. Deres innovative papirbaserede tests til overvågning af personlig sundhed og miljøsikkerhed eliminerer behovet for dyrt laboratorieudstyr og kan udføres af alle, hvor som helst.

Kendt som papiranalytiske enheder, kan de fremstilles billigt, opbevares i lange perioder, distribueres til brug i fjerntliggende områder og bruges til at indsamle kritisk information, når og hvor der er mest behov for det. De repræsenterer også hver en teknologiplatform, der kan udvides til at måle andre markører for sundhed og miljø.

Tag en af ​​de mest vitale målinger i sundhedsvæsenet:antallet af blodlegemer. Alene måling af hvide blodlegemer giver fingerpeg om alt fra infektioner til autoimmune sygdomme til kræft. Selvom prøvetagning - en blodudtagning - virker simpel, kræver det et besøg på en klinik og adgang til centraliserede kliniske laboratorier til analyse. Store populationer af mennesker – dem, der er hjemmegående eller bor fjerntliggende steder – har ikke den adgang.

Charlie Mace, lektor i kemi, tænkte på en måde at hjælpe på. Han og hans team skabte en papirenhed kaldet et mønstret tørret blodpletkort, hvor papiret er konstrueret med kanaler og opsamlingszoner, der måler definerede volumener af blod og lader det tørre på plads til senere analyse. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Analytical Chemistry .

Det eneste, brugerne skal gøre, er at indsamle blod derhjemme med et fingerstik og sende prøven til et laboratorium, som måler mængden af ​​DNA, der er unikt for de hvide blodlegemer, og angiver antallet af tilstedeværende celler.

"Metoder til at indsamle blod på papirkort eksisterer allerede, men de har lidt under unøjagtighed, fordi både materialet og brugeren introducerer variationer, der påvirker det målte volumen af ​​blod," sagde Mace. "De mønstrede kort løser det problem, og den måde, vi måler tællinger på - med instrumenter, der kvantificerer DNA i stedet for hele celler - betyder, at vi ikke er afhængige af, at cellerne kommer intakte."

Gennem lokale samarbejder har Maces arbejde med dette og andre papiranalytiske enheder nået Sydafrika, Ghana og andre afrikanske lande såvel som Sydamerika. "Folk i fjerntliggende og lavindkomstregioner har en tendens til at have reduceret adgang til sundhedspleje, hvilket gør det endnu vigtigere at finde på billigere og nemmere måder for dem at overvåge sundhedsindikatorer på," sagde Mace.

"Denne teknologi vil sandsynligvis have yderligere anvendelser i infektionssygdomme, såsom påvisning af niveauer af virus og parasitter i blodet og mere generelt til påvisning af markører for sundhed og velvære."

En svedig sundhedsindikator

Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble professor i ingeniørvidenskab og hans team ved Tufts University Silklab skabte en papiranalytisk enhed, der kan måle laktat, også kendt som mælkesyre, i sved. En artikel om denne innovation blev offentliggjort i Advanced Sensor Research .

Laktatmålinger kan indikere iltmangel og bruges som en forudsigelse for dødelighed hos traumepatienter. For atleter eller arbejdere under fysisk stressende forhold giver laktat et kvantitativt mål for muskeltræthed samt konditions- og konditionsniveauer.

Omenetto brugte bioreaktivt blæk afledt af silkefibroin - byggestenen i silkefibre - kombineret med enzymer, der behandler laktat for at udløse en farveændring, når det er til stede.

Blækkerne er trykt på små cirkulære papirfaner, som klæbes til huden ved hjælp af en almindelig gennemsigtig film, der bruges til sårforbinding. Farven på fanerne skifter fra gul til mørkerød afhængig af koncentrationen af ​​laktat i sveden. Disse farveskift måles ved hjælp af et smartphone-kamera og har en nøjagtighed, der kan sammenlignes med resultater ved brug af dyrt laboratorieudstyr.

"Silkefibroinet har en bemærkelsesværdig evne til at stabilisere enzymerne i blækket, så plastrene har en meget lang holdbarhed - over to år under køling indtil videre," sagde Elisabetta Ruggeri, EG25, der ledede udviklingen af ​​papirenhederne. "Metoden kan udvides til at lave blæk, der måler andre elementer i sved - for at få en mere komplet profil af personens helbred og ydeevne med et panel af papirfaner. Det er som at bære et laboratorium på din hud."

Guldstandard for vandtestning

Over hele verden er dårlig vandkvalitet og vandbårne sygdomme alvorlige problemer og påvirker millioner af mennesker. Nu har Sameer Sonkusale, professor i el- og computerteknik, og Tufts University Nano Lab udviklet en ny papiranalytisk enhed, der kan detektere og måle bakteriel forurening i vand. Denne forskning blev offentliggjort i ACS Sensors .

Metoden bruger guldnanopartikler knyttet til et antibiotikum kaldet polymyxin, der binder sig til gramnegative bakterier - de sædvanlige mistænkte for vandforurening. Når bakterier er til stede, binder de sig til og samler guldpartiklerne i enheden. Efterhånden som guldpartiklerne samles, begynder de at ændre deres farve fra en rødlig-pink til blå. Et smartphone-kamera og en hyldevare-app kaldet ColorAssist tillader måling af farveskiftet og kan kvantificere niveauet af bakterier i prøven.

Faktisk skabte forskerne i den samme papiranalytiske enhed en anden indsamlingszone, der kvantificerer tilstedeværelsen af ​​nitrit, en anden farlig forurening i vand. Udskrivning og smeltning i et voksmønster skaber testzoner og kanaler på papirenheden. På denne måde kunne en enhed designes til at teste for et stort antal forskellige forurenende stoffer i en vandprøve.

Brugen af ​​guldnanopartikler frem for enzymer eller antistoffer sikrer, at papirtestene er stabile og kan opbevares i længere perioder uden nedkøling. På trods af, at de grundlæggende består af et stykke papir og en smartphone, er testene sammenlignelige i nøjagtighed med kommercielle analyser og laboratorieanalyser.

Der er mange fordele ved disse billige, brugervenlige papirenheder af vandkvalitet, især til overvågning af vand i fjerntliggende områder af verden, hvor sanitetsinfrastruktur mangler.

Papirenhederne kan også overvåge vand, der bruges til at vaske produkter og advare brugere om potentielt skadelige fødevarebårne patogener. For militæret er adgang til rent vand grundlæggende for operationer, og en enkel, let, billig papirbaseret test for vandkvalitet kunne være et vigtigt aktiv.

Sonkusales papirenhed har også sundhedsapplikationer ud over at teste vandkvaliteten. "Detektion af urinvejsinfektioner er desværre et meget almindeligt problem, især blandt kvinder og ældre," sagde han. "Vi kan lægge en letanvendelig papirbaseret test i hænderne på enhver modtagelig patient og med tidlig påvisning redde mange liv, da infektion ofte kan udvikle sig til sepsis, hvis den ikke fanges i tide."

Flere oplysninger: Allison J. Tierney et al., hæmatokrit-uafhængig prøvetagning muliggør tælling af hvide blodlegemer fra mønstrede tørrede blodpletter, analytisk kemi (2024). DOI:10.1021/acs.analchem.3c04439

Elisabetta Ruggeri et al., Papirbaserede wearable patches til realtids, kvantitativ laktatovervågning, Avanceret sensorforskning (2023). DOI:10.1002/adsr.202300141

Kawin Khachornsakkul et al., Gold Nanomaterial-Based Microfluidic Paper Analytical Device til simultan kvantificering af gramnegative bakterier og nitritioner i vandprøver, ACS-sensorer (2023). DOI:10.1021/acssensors.3c01769

Journaloplysninger: ACS-sensorer , Analytisk kemi

Leveret af Tufts University