Kwantowe nanodiamenty mogą pomóc we wcześniejszym wykrywaniu chorób

Badania przeprowadził interdyscyplinarny zespół badaczy z University College London (UCL), University College London Hospitals (UCLH), oraz University of Oxford, kierowany przez London Centre for Nanotechnology na UCL.

Testy oparte na metodzie przepływu bocznego wykorzystują zjawisko nasiąkania papieru płynem, aby wykryć obecność określonych substancji czy patogenów. Najbardziej znanym z nich jest niewątpliwie test ciążowy, który wykrywa w moczu hormon - gonadotropinę kosmówkową (hCG).

Testy tego rodzaju stosuje się także do wykrywania obecności wirusów - na przykład HIV czy SARS-CoV-2, ponieważ dają szybko wynik i nie wymagają specjalnie wyposażonego laboratorium. Zmiana koloru albo sygnał fluorescencyjny wskazuje na pozytywny wynik – wykrycie białek lub DNA wirusa.

Ważnym składnikiem dotychczasowych testów są nanocząsteczki złota. Jak wykazały nowe badania, wiele tysięcy razy większą czułość na przykład w przypadku wirusa HIV można jednak osiągnąć stosując niedrogie nanodiamenty.

Naukowcy wykorzystali właściwości kwantowe nanodiamentów wytwarzanych z precyzyjnie zaplanowaną niedoskonałością. Wada regularnej struktury diamentu tworzy tak zwane centrum pustki azotowej (NV). Ośrodki NV mają wiele potencjalnych zastosowań, od biomarkerów fluorescencyjnego do wykorzystania w ultraczułym obrazowaniu, po kubity przetwarzające informacje w komputerach kwantowych.

Centra NV mogą sygnalizować obecność antygenu lub innej cząsteczki docelowej, emitując jasne światło fluorescencyjne. W przeszłości markery fluorescencyjne były ograniczone przez fluorescencję tła, pochodzącą z próbki lub paska testowego, co utrudniało wykrycie niskich stężeń białek wirusa lub DNA, które wskazywałyby na pozytywny wynik testu. Jednak właściwości kwantowe fluorescencyjnych nanodiamentów pozwalają na selektywną modulację ich emisji, co oznacza, że sygnał może być skutecznie oddzielony od fluorescencji tła.

Udało się osiągnąć poprawę czułości pięciu rzędów wielkości (100 000 razy) w porównaniu z nanocząsteczkami złota (co znaczy, że do wygenerowania wykrywalnego sygnału potrzebna była znacznie mniejsza liczba nanocząstek). Po włączeniu krótkiego 10-minutowego etapu amplifikacji w stałej temperaturze, w którym powielono kopie RNA, naukowcy byli w stanie wykryć RNA wirusa HIV na poziomie pojedynczej cząsteczki w próbce modelowej.

Większa czułość oznacza, że test może wykryć chorobę z mniejszym mianem wirusa lub na wcześniejszym etapie, co ma kluczowe znaczenie dla zmniejszenia ryzyka kolejnych zakażeń oraz dla skutecznego leczenia.

Zespół badawczy pracuje nad dostosowaniem nowej technologii do testów na obecność COVID-19 i innych chorób. Kolejnym kluczowym krokiem ma być opracowanie ręcznego urządzenia, które może „odczytywać” wyniki – na razie technikę zademonstrowano przy użyciu mikroskopu w laboratorium. Planowane są również dalsze badania kliniczne.(PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ agt/