Quantum nanodiamanten kunnen helpen om ziekten eerder op te sporen

Het kwantumdetectievermogen van nanodiamanten kan worden gebruikt om de gevoeligheid van op papier gebaseerde diagnostische tests te verbeteren, waardoor mogelijk eerder ziekten zoals HIV kunnen worden opgespoord, volgens een studie onder leiding van UCL-onderzoekers in de i-sense McKendry-groep.

Op papier gebaseerde laterale flow-tests werken op dezelfde manier als een zwangerschapstest: een strook papier wordt gedrenkt in een vloeistofmonster en een verandering in kleur – of fluorescerend signaal – duidt op een positief resultaat en de detectie van viruseiwitten of DNA. Ze worden veel gebruikt om virussen te detecteren, variërend van HIV tot SARS-CoV-2 (laterale flow-tests voor Covid-19 worden momenteel in heel Engeland getest) en kunnen een snelle diagnose stellen, aangezien de resultaten niet in een laboratorium hoeven te worden verwerkt. .

Het nieuwe onderzoek, gepubliceerd in Natuur, ontdekte dat goedkope nanodiamanten kunnen worden gebruikt om de aanwezigheid van een hiv-ziektemarker te signaleren met een gevoeligheid die duizenden malen groter is dan de gouden nanodeeltjes die veel in deze tests worden gebruikt.

Door deze grotere gevoeligheid kunnen lagere virale ladingen worden gedetecteerd, wat betekent dat de test lagere ziekteconcentraties kan detecteren of de ziekte in een eerder stadium kan detecteren, wat cruciaal is voor het verminderen van het transmissierisico van geïnfecteerde personen en voor een effectieve behandeling van ziekten zoals HIV.

Het onderzoeksteam werkt aan het aanpassen van de nieuwe technologie om de komende maanden te testen op COVID-19 en andere ziekten. Een belangrijke volgende stap is het ontwikkelen van een handapparaat dat de resultaten kan “lezen”, aangezien de techniek werd gedemonstreerd met een microscoop in een laboratorium. Verdere klinische evaluatiestudies zijn ook gepland.

Hoofdauteur professor Rachel McKendry, hoogleraar biomedische nanotechnologie aan de UCL en directeur van i-sense EPSRC IRC, zei: “ Onze proof-of-concept-studie laat zien hoe kwantumtechnologieën kunnen worden gebruikt om ultralage virusniveaus in een patiëntmonster te detecteren, veel eerdere diagnose.

“We hebben ons gefocust op de detectie van hiv, maar onze aanpak is zeer flexibel en kan gemakkelijk worden aangepast aan andere ziekten en biomarkertypen. We werken aan een aanpassing van onze benadering van COVID-19. We geloven dat patiënten van deze transformatieve nieuwe technologie zullen profiteren. en de bevolking beschermen tegen infectieziekten. “

De onderzoekers maakten gebruik van de kwantumeigenschappen van nanodiamanten die met een precieze imperfectie zijn vervaardigd. Dit defect in de zeer regelmatige structuur van een diamant creëert een zogenaamd stikstof-vacature (NV) centrum. NV-centra hebben veel potentiële toepassingen, van fluorescente biomarking voor gebruik in ultragevoelige beeldvorming tot informatieverwerkende qubits in quantum computing.

De NV-centra kunnen de aanwezigheid van een antigeen of ander doelwitmolecuul signaleren door een helder fluorescerend licht uit te zenden. In het verleden werden fluorescerende markers beperkt door achtergrondfluorescentie, hetzij van het monster of van de teststrip, waardoor het moeilijker werd om lage concentraties viruseiwitten of DNA te detecteren die op een positieve test zouden duiden. Door de kwantumeigenschappen van fluorescerende nanodiamanten kan hun emissie echter selectief worden gemoduleerd, wat betekent dat het signaal kan worden gefixeerd op een ingestelde frequentie met behulp van een microgolfveld en efficiënt kan worden gescheiden van de achtergrondfluorescentie, waarbij deze beperking wordt aangepakt.

De optische resultaten toonden tot vijf ordes van grootte (100.000 keer) verbetering in gevoeligheid in vergelijking met gouden nanodeeltjes (dat wil zeggen, er was een veel lager aantal nanodeeltjes nodig om een ​​detecteerbaar signaal te genereren). Met de opname van een korte amplificatiestap van 10 minuten bij constante temperatuur, waarin kopieën van het RNA werden vermenigvuldigd, konden de onderzoekers hiv-RNA detecteren op het niveau van een enkel molecuul in een modelmonster.

Het werk werd gedemonstreerd in een laboratoriumomgeving, maar het team hoopt de tests zo te ontwikkelen dat de resultaten kunnen worden gelezen met een smartphone of draagbare fluorescentielezer. Dit betekent dat de test in de toekomst kan worden uitgevoerd in instellingen met weinig bronnen, waardoor deze toegankelijker wordt voor gebruikers.

Eerste auteur Dr. Ben Miller (i-sense Postdoctoral Research Associate bij het London Centre for Nanotechnology aan de UCL) zei: “Op papier gebaseerde laterale flow-tests met gouden nanodeeltjes vereisen geen laboratoriumanalyse, waardoor ze bijzonder nuttig zijn in omgevingen met weinig middelen en waar toegang tot gezondheidszorg is beperkt, goedkoop, draagbaar en gebruiksvriendelijk.

“Deze tests missen momenteel echter de gevoeligheid om zeer lage niveaus van biomarkers te detecteren. Door veelgebruikte gouden nanodeeltjes te vervangen door fluorescerende nanodiamanten in dit nieuwe ontwerp, en hun (toch al heldere) emissie van licht selectief te moduleren, hebben we hun signaal van de ongewenste achtergrondfluorescentie van de teststrip, waardoor de gevoeligheid aanzienlijk verbetert. “

Co-auteur Professor John Morton, directeur van UCL’s Quantum Science and Technology Institute (UCLQ), zei: “Deze interdisciplinaire samenwerking tussen UCLQ en het i-sense-team in het LCN is een fantastische illustratie van hoe fundamenteel werk aan kwantumsystemen, zoals NV-centrum in diamant, kan evolueren vanuit het laboratorium en een cruciale rol spelen in real-world toepassingen in detectie en diagnostiek.Onderzoekers van UCLQ onderzoeken en maken de impact van deze en andere kwantumtechnologieën mogelijk door samen te werken met de industrie en andere academische onderzoeksgroepen. ”