Квантовое зондирование с использованием наноалмазов для более раннего выявления заболеваний

Художественная концепция наноалмазов для диагностики in vitro. Предоставлено: Ella Maru Studio / UCL.

Согласно исследованию, проведенному исследователями Университетского колледжа Лондона из группы i-sense McKendry, квантовые способности наноалмазов могут быть использованы для повышения чувствительности диагностических тестов на бумажных носителях, потенциально позволяющих раньше обнаруживать такие заболевания, как ВИЧ.

Бумажные тесты бокового потока 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 кровотока 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 Природа, обнаружили, что дешевые наноалмазы можно использовать для сигнализации о присутствии маркера заболевания ВИЧ с чувствительностью, во много тысяч раз превышающей чувствительность наночастиц золота, широко используемых в этих тестах.

Эта повышенная чувствительность позволяет обнаруживать более низкие вирусные нагрузки, а это 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 ВИЧ.

Исследовательская группа работает над адаптацией новой технологии для тестирования COVID-19 и другие болезни 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 могут использоваться для обнаружения сверхнизких уровней вируса в образце пациента, что позволяет гораздо более ранний диагноз.

«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 верим, что эта революционная новая 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 квантовые вычисления.

NV-центры могут сигнализировать о присутствии антигена или другой молекулы-мишени, 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, что означает, что 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 100000 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 копии РНК были размножены, исследователи смогли обнаружить РНК ВИЧ на уровне одной молекулы в модельном образце.

Работа была продемонстрирована в лабораторных условиях, но команда надеется разработать тесты так, чтобы результаты можно было прочитать 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 д-р Бен Миллер (научный сотрудник i-sense из Лондонского центра нанотехнологий при UCL) сказал: «Бумажные тесты поперечного потока с наночастицами золота не требуют лабораторного анализа, что делает их особенно полезными в условиях ограниченных ресурсов и при доступе к ним. к здравоохранению ограничено. Они недорогие, портативные и удобные в использовании.

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

пПрофессор Джон Мортон, директор Института квантовой науки и технологий UCL (UCLQ) и соавтор статьи, сказал: «Это междисциплинарное сотрудничество между UCLQ и командой i-sense в LCN является фантастической иллюстрацией того, как фундаментальная работа над квантовые системы, такие 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 задействуют влияние этих и других квантовых технологий, работая с промышленными и другими академическими исследовательскими группами.

Исследование было проведено междисциплинарной командой исследователей i-sense из UCL, UCLH и Оксфордский университетпод руководством Лондонского центра нанотехнологий при UCL. i-sense – это междисциплинарное исследовательское сотрудничество (IRC), финансируемое Совет по исследованиям в области инженерных и физических наук Великобритании (EPSRC).

Эта работа финансировалась EPSRC Великобритании, Королевским обществом, Лондонским центром нанотехнологий, Европейским исследовательским советом H2020, фондом UCLH NHS Foundation Trust и при поддержке Центра биомедицинских исследований больниц Лондонского национального института исследований в области здравоохранения.

Ссылка: «Биочувствительность наноалмазов с вращением для сверхчувствительной диагностики» Бенджамина С. Миллера, Леонара Безинге, Харриет Д. Глиддон, Да Хуанга, Гэвина Долда, Элеоноры Р. Грей, Джудит Хини, Питера Дж. Добсона, Элени Настули, Джона Дж. Л. Мортон и Рэйчел А. МакКендри, 25 ноября 2020 г., Природа.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2917-1

Leave a Comment