Тест-полоски в алмазах

Квантовые наноалмазы могут помочь раньше обнаружить болезнь

Анна Юдина, «Научная Россия»

Согласно исследованию, проведенному исследователями UCL, квантовые способности наноалмазов могут быть использованы для повышения чувствительности бумажных диагностических тестов, потенциально позволяющих рано обнаруживать такие заболевания, как ВИЧ, – пишет пресс-релиз Quantum nanodiamonds may help detect disease earlier.

Статья Miller et al. Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics опубликована в журнале Nature – ВМ.

Бумажные тесты с боковым потоком работают так же, как тест на беременность, в том смысле, что полоска бумаги пропитывается образцом жидкости, а 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 показало, что недорогие наноалмазы можно использовать для сигнализации о наличии 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 заболевание на более ранней стадии, что имеет решающее значение для снижения риска передачи инфекции и для эффективного лечения таких заболеваний, 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 пациента, что позволяет гораздо более раннюю постановку диагноза. 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 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 квантовых вычислениях.

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). Благодаря включению короткого 10-минутного этапа амплификации при постоянной температуре, на котором размножались копии РНК, 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 доктор Бен Миллер (научный сотрудник i-sense докторантуры в Лондонском центре 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 ограничены. Они дешевы, 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 избирательно модулируя их (уже яркое) излучение света, мы смогли разделить сигнал от нежелательной фоновой флуоресценции тест-полоски, резко улучшающий 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 фундаментальной работы над квантовыми системами, такими как Центр NV в алмазе может 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».

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru