Kvante nanodiamanter kan hjælpe med at opdage sygdom tidligere

Nanodiamanters kvantesansevner kan bruges til at forbedre følsomheden af ​​papirbaserede diagnostiske tests, potentielt muliggør tidligere påvisning af sygdomme som HIV, ifølge en undersøgelse ledet af UCL-forskere i i-sense McKendry-gruppen.

Papirbaserede laterale flowtests fungerer på samme måde som en graviditetstest, idet en papirstrimmel er gennemblødt i en væskeprøve, og en ændring i farve - eller fluorescerende signal - indikerer et positivt resultat og påvisning af virusproteiner eller DNA. De bruges i vid udstrækning til at detektere vira lige fra HIV til SARS-CoV-2 (laterale flowtests for Covid-19 er i øjeblikket ved at blive piloteret over hele England) og kan give en hurtig diagnose, da resultaterne ikke skal behandles i et laboratorium.

Den nye forskning, udgivet i Natur , fandt ud af, at billige nanodiamanter kunne bruges til at signalere tilstedeværelsen af ​​en HIV-sygdomsmarkør med en følsomhed mange tusinde gange større end de guldnanopartikler, der er meget brugt i disse tests.

Denne større følsomhed gør det muligt at detektere lavere viral belastning, hvilket betyder, at testen kunne opfange lavere sygdomsniveauer eller opdage sygdommen på et tidligere stadium, som er afgørende for at reducere smitterisikoen for smittede personer og for effektiv behandling af sygdomme som HIV.

Forskerholdet arbejder på at tilpasse den nye teknologi til at teste for COVID-19 og andre sygdomme i løbet af de kommende måneder. Et vigtigt næste skridt er at udvikle en håndholdt enhed, der kan "læse" resultaterne, da teknikken blev demonstreret ved hjælp af et mikroskop i et laboratorium. Yderligere kliniske evalueringsstudier er også planlagt.

Hovedforfatter professor Rachel McKendry, Professor i biomedicinsk nanoteknologi ved UCL og direktør for i-sense EPSRC IRC, sagde:"Vores proof-of-concept undersøgelse viser, hvordan kvanteteknologier kan bruges til at detektere ultralave niveauer af virus i en patientprøve, muliggør langt tidligere diagnose.

"Vi har fokuseret på påvisning af HIV, men vores tilgang er meget fleksibel og kan let tilpasses til andre sygdomme og biomarkørtyper. Vi arbejder på at tilpasse vores tilgang til COVID-19. Vi tror på, at denne transformative nye teknologi vil gavne patienter og beskytte befolkninger mod infektionssygdomme."

Forskerne gjorde brug af kvanteegenskaberne af nanodiamanter fremstillet med en præcis ufuldkommenhed. Denne defekt i den meget regelmæssige struktur af en diamant skaber det, der kaldes et nitrogen-vacancy-center (NV). NV-centre har mange potentielle anvendelser, fra fluorescerende biomarkering til brug i ultrafølsom billeddannelse til informationsbehandlingsqubits i kvanteberegning.

NV-centrene kan signalere tilstedeværelsen af ​​et antigen eller andet målmolekyle ved at udsende et stærkt fluorescerende lys. I fortiden, fluorescerende markører er blevet begrænset af baggrundsfluorescens, enten fra prøven eller teststrimlen, hvilket gør det sværere at opdage lave koncentrationer af virusproteiner eller DNA, der tyder på en positiv test. Imidlertid, kvanteegenskaberne af fluorescerende nanodiamanter gør det muligt at modulere deres emission selektivt, hvilket betyder, at signalet kan fikseres ved en indstillet frekvens ved hjælp af et mikrobølgefelt og effektivt kan adskilles fra baggrundsfluorescensen, håndtere denne begrænsning.

De optiske resultater viste op til fem størrelsesordener (100, 000 gange) forbedring i følsomhed sammenlignet med guld nanopartikler (dvs. et meget lavere antal nanopartikler var påkrævet for at generere et detekterbart signal). Med inklusion af et kort 10-minutters konstant temperaturforstærkningstrin, hvor kopier af RNA blev multipliceret, forskerne var i stand til at påvise HIV RNA på niveau med et enkelt molekyle i en modelprøve.

Arbejdet blev demonstreret i et laboratoriemiljø, men holdet håber at udvikle testene, så resultaterne kan aflæses med en smartphone eller bærbar fluorescenslæser. Det betyder, at testen kunne, i fremtiden, udføres i lav-ressource indstillinger, gør det mere tilgængeligt for brugerne.

Førsteforfatter Dr. Ben Miller (i-sense Postdoctoral Research Associate ved London Center for Nanotechnology ved UCL) sagde:"Papirbaserede laterale flowtest med guldnanopartikler kræver ikke laboratorieanalyse, hvilket gør dem særligt nyttige i miljøer med få ressourcer, og hvor adgangen til sundhedsydelser er begrænset. De er billige, transportabel, og brugervenlig.

"Imidlertid, disse tests mangler i øjeblikket følsomheden til at detektere meget lave niveauer af biomarkører. Ved at erstatte almindeligt anvendte guld nanopartikler med fluorescerende nanodiamanter i dette nye design, og selektivt modulere deres (allerede lyse) emission af lys, vi har været i stand til at adskille deres signal fra teststrimlens uønskede baggrundsfluorescens, dramatisk forbedring af følsomheden."

Medforfatter professor John Morton, Direktør for UCL's Quantum Science and Technology Institute (UCLQ), sagde:"Dette tværfaglige samarbejde mellem UCLQ og i-sense-teamet i LCN er en fantastisk illustration af, hvordan grundlæggende arbejde med kvantesystemer, såsom NV center i diamant, kan udvikle sig fra laboratoriet og spille en afgørende rolle i virkelige applikationer inden for sansning og diagnostik. Forskere ved UCLQ udforsker og muliggør virkningen af ​​disse og andre kvanteteknologier ved at arbejde med industrien og andre akademiske forskningsgrupper."