Квантове зондування для експрес-діагностики хвороб

Увазі відвідувачів нашого сайту представляються результати наукової роботи, виконаної у Великій Британії міждисциплінарною групою науковців i-sense McKendry Лондонського Університетського коледжу. Роботи фінансували:

  • Дослідницька рада з питань інженерних та фізичних наук Великобританії (EPSRC);
  • Королівське товариство (Royal Society);
  • Лондонський центр нанотехнологій (London Centre for Nanotechnology);
  • Європейська дослідницька рада H2020 (European Research Council);
  • Фонд NHC UCLH (UCLH NHS Foundation Trust).

Ці наукові дослідження провадились за підтримки Національного інституту досліджень здоров’я Університетського коледжу Лондонських лікарень з біомедичних досліджень (National Institute for Health Research University College London Hospitals Biomedical Research Centre).

Квантове зондування з використанням наноалмазів для попередньої діагностики хвороб

Британські науковці використали квантову надчутливість алмазних наночастинок для підняття чутливості застосовуваних у медицині останніх років так званих ПДТ — паперових діагностичних тестів. До останнього часу це дозволяло діагностувати ВІЛ на ранній стадії. Після проведених досліджень відкрився потенціал ПДТ діагностики новітніх вірусних хвороб.

Слід зазначити, що функціонування Paper-based lateral flow tests (паперових тестів бічного потоку) відбувається так само, як і робота тестів на вагітність. І в першому, і в другому епізодах паперова смужка змочується у рідині (пробі). Зміна кольору смужки свідчить про наявність вірусних білків (ДНК) і сприймається як позитивний результат.

До останньої пори ПДТ використовувались для діагностики ВІЛ. Свіжі данні дозволяють стверджувати, що з їхньою допомогою можна проводити оперативне тестування SARS-CoV-2. Виявляється, ці тести здатні забезпечувати ковідну експрес діагностику та обходитися без обробки результатів в лабораторіях. Дешеві нанодіаманти ефективно сигналізують про присутність у взятих зразках маркерів інфекції. Щодо чутливості тестування з використанням нанодіамантового спіну, то вона виявляється на у тисячі разів вищою, ніж діагностика на основі ПДТ з золотими наночастками.

Найближча перспектива — створення ручного приладу для експрес-тестування ковіду

Згадана надчутливість дозволяє знаходити значно менші концентрації вірусів у досліджуваних зразках. ПДТ здатний діагностувати хворобу на нижчому рівні та на початковому етапі. Така обставина набуває вирішального значення для результативної терапії.

Нова методика світовій науковій спільноті анонсована з використанням лабораторного мікроскопу у стаціонарних умовах. Тому ому сьогодні очолювана Лондонським центром нанотехнологій при UCL міждисциплінарна дослідницька група i-sense з UCL, UCLH та Оксфордського університету вважає пріоритетним завданням пристосування тесту на нанодіамантах (НД) для виявлення COVID-19. Найближчими місяцями планується розробити ручний пристрій, який міг би миттєво ставити діагноз.

Професор Рейчел Маккендрі — провідний фахівець у галузі біомедичних нанотехнологій в UCL і за сумісництвом директор i-sense EPSRC IRC сказала: «Our proof-of-concept study shows how quantum technologies can be used to detect ultralow levels of virus in a patient sample, enabling much earlier diagnosis. We have focused on the detection of HIV, but our approach is very flexible and can be easily adapted to other diseases and biomarker types. We are working on adapting our approach to COVID-19. We believe that this transformative new technology will benefit patients and protect populations from infectious diseases».

У перекладі це виглядає так: «Наше дослідження показує, що квантові технології можуть бути використані для виявлення наднизьких рівнів вірусу у зразку пацієнта. Це дозволяє набагато раніше ставити діагноз. Ми зосередилися на виявленні ВІЛ, але наш підхід є гнучким. Його можна легко адаптувати до інших захворювань і типів біомаркерів. Ми працюємо над адаптацією нашого підходу до COVID-19. Віримо, що ця нова трансформаційна технологія принесе користь пацієнтам і захистить населення від інфекційних хвороб».

Використання квантових властивостей НД

Важливим моментом є те, що дослідники використали квантові властивості нанодіамантів, виготовлених з недосконалим способом. Дефекти вкрай регулярної структури алмазу створюють так званий центр браку азоту (НВ). Такі центри мають багато потенційних застосувань, від флуоресцентного біомаркування для використання в ультра-чутливих зображеннях до кубітів обробки інформації у квантових обчисленнях.

Центри NV можуть сигналізувати про наявність антигену або іншої молекули-мішені, випромінюючи яскраве флуоресцентне світло. У минулому флуоресцентні маркери були обмежені фоновою флуоресценцією як зразка, так і тест-смужки. Це ускладнювало виявлення низьких концентрацій вірусних білків або ДНК і призводили до хибнонегативних результатів.

Проте квантові властивості флуоресцентних наноалмазів дозволяють вибірково модулювати їх випромінювання. При цьому сигнал може фіксуватися з заданою частотою за допомогою мікрохвильового поля. Його також можна ефективно відокремлювати від фонової флуоресценції, усуваючи згадане обмеження.

Оптичні результати

Оптичні результати показали поліпшення чутливості наноалмазних — порівняно з наночастинками золота — тестів, яке досягає п’яти порядків (100 000 разів)! Інакше кажучи, для створення детектувального сигналу потрібно було набагато меншу кількість наночастинок. При включенні короткого 10-хвилинного етапу ампліфікації з постійною температурою, в якому множились копії РНК, дослідники змогли виявити у зразку РНК ВІЛ на рівні однієї молекули!

Робота була продемонстрована в лабораторних умовах, але команда сподівається розробити такі тести, щоб результати можна було читати за допомогою смартфона або портативного флуоресцентного зчитувача. Це означає, що в осяжному майбутньому тест можна буде проводити в умовах з низьким рівнем ресурсів, поза лабораторіями. Це зробить тестування більш доступним для користувачів.

Кілька цитат дослідників

Перший автор — доктор Бен Міллер (докторський науковий співробітник i-smislu Лондонського центру нанотехнологій при UCL)сказав: «Тести на бічних потоках на паперовій основі з наночастинками золота не вимагають лабораторного аналізу, що робить їх особливо корисними в умовах низьких ресурсів і там, де доступ до охорони здоров’я обмежена. Вони недорогі, портативні та зручні для користувача».

«Однак ці тести в даний час не мають чутливості для виявлення дуже низьких рівнів біомаркерів. Замінивши часто використовувані наночастинки золота на флуоресцентні наноалмази у цій новій конструкції та вибірково модулюючи їх (і без того яскраве) випромінювання світла, ми змогли відокремити їх сигнал від небажаної фонової флуоресценції тест-смужки, різко покращивши чутливість».

Професор Джон Мортон, директор Інституту UCL з квантової науки і техніки (ОЛЧ) і співавтор паперових тестів, відзначив: «Це міждисциплінарне співробітництво між ОЛЧАМи є фантастичним прикладом того, як основної роботи на квантових системах, таких як NV-центр у алмазах, може вийти за межі лабораторії та відігравати вирішальну роль у реальних додатках у зондування й діагностиці. Дослідники з UCLQ досліджують і забезпечують вплив цих та інших квантових технологій, працюючи з промисловістю та іншими науковими дослідницькими групами».

З іншими цікавими подіями, які останнім часом відбулися у предметній галузі, запрошуємо ознайомитися на сторінці нашого сайту, присвяченій новинам у світі кібернетики.

При підготовці статті використано оригінальний матеріал, який знаходиться за адресою https://scitechdaily.com/quantum-sensing-using-nanodiamonds-to-help-detect-disease-earlier/.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *