In een afgelegen dorp, een hulpverlener prikt in de vingertop van een ziekelijke peuter, en zoals de meeste bloedmonsters van andere kinderen, deze kleurt een teststrip geel. Dat is hoe een experimentele ondervoedingstest, gemaakt met bacteriële ingewanden, op een dag zou kunnen werken om wijdverbreide zinktekorten aan het licht te brengen die verantwoordelijk zijn voor ongeveer een half miljoen sterfgevallen per jaar.

Deze ingewanden omvatten plasmiden, dat zijn lussen van DNA. Het zijn niet dezelfde DNA-strengen achter reproductie en celconstructie, maar functioneren in plaats daarvan als nano-organen met genetische programma's die normaal gesproken bacteriële celprocessen sturen. In een onderzoek onder leiding van het Georgia Institute of Technology, onderzoekers ontwikkelden hun eigen plasmiden om andere delen te sturen die uit bacteriën werden gehaald om de bloedtest te laten werken.

De nieuwe technologie toonde een groot potentieel als basis voor een goedkope, eenvoudige ondervoedingstest voor gebruik in het veld die kan worden uitgebreid met veel essentiële voedingsstoffen en andere gezondheidsindicatoren.

De nieuwe, experimentele test wordt gevriesdroogd tot een poeder dat bij dagelijkse temperaturen wordt bewaard, in het veld kan worden gelezen, en kan geschikt zijn voor nauwkeurige analyse met een toepasselijke smartphone-app. Het zou de klinische en logistieke beproevingen van andere tests kunnen overwinnen, inclusief gekoeld transport naar het veld of terug naar een laboratorium, evenals verloren tijd.

De test detecteert niet alleen zink, maar kwantificeert ook de klinisch relevante niveaus, die nodig is om ondervoeding op te sporen en een van de belangrijkste innovaties van de nieuwe test is. Hulporganisaties zouden een veldversie van de test kunnen gebruiken om onmiddellijke informatie te krijgen om snel beleidsbeslissingen over voedingsinterventies te beïnvloeden.

Verborgen honger

Wereldwijd lijden twee miljard mensen aan tekorten aan micronutriënten, die elk jaar miljoenen levens eisen, volgens de Centers for Disease Control and Prevention. Zinktekort alleen werd de schuld van meer dan 450, 000 doden in 2009, volgens een studie in het European Journal of Clinical Nutrition.

Maar ondervoeding opsporen is lastig.

"In de ontwikkelingslanden van vandaag, veel mensen krijgen misschien genoeg calorieën, maar missen veel voedingsstoffen. Je kunt naar iemand kijken en zien of ze genoeg calorieën binnenkrijgen, maar niet of ze voldoende hoeveelheden ontwikkelingsbelangrijke voedingsstoffen binnenkrijgen. " zei Mark Styczynski, die de studie leidde en een universitair hoofddocent is aan de School of Chemical and Biomolecular Engineering van Georgia Tech.

"De impact is het grootst bij zwangere moeders en kinderen onder de 5 jaar, dat is wanneer ze de hoogste sterfte hebben, " hij zei.

Het onderzoeksteam, waaronder medewerkers van de Northwestern University, publiceerden hun studie in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang op 25 sept. 2019. Het onderzoek werd gefinancierd door de National Institutes of Health, de Nationale Wetenschapsstichting, het onderzoekslaboratorium van de luchtmacht, de Defense Advanced Research Projects Agency, de David en Lucille Packard Stichting, en het Camille Dreyfus Teacher-Scholar-programma.

Klein is enorm

Engineering met bacteriële ingewanden is minstens 25 jaar oud, met het versnellen van onderzoek in het afgelopen decennium. Maar deze nieuwe test markeert kleine moleculen, zoals zink of jodium, nog een grote innovatie.

De kwantificering van zinkionen in dit specifieke onderzoek was het proof-of-concept voor plannen om veel kleine moleculen te meten die relevant zijn voor in-field-tests. De onderzoekers konden de test snel uitbreiden om de niveaus van de zes essentiële voedingsstoffen met kleine moleculen te beoordelen, micronutriënten, die zeer relevant zijn voor veldwerk op het gebied van voeding.

"Misschien kunnen we redelijk snel nieuwe tests voor ijzer doen, B12, foliumzuur, jodium, en vitamine A, " zei Styczynski. "We zouden ook grotere moleculen zoals DNA en eiwitten kunnen kwantificeren om erachter te komen hoe erg een virale uitbraak is."

"Het detecteren van de aan- of afwezigheid van iets als ebola of zwangerschap is belangrijk. Maar kunnen zeggen hoeveel je van iets hebt, als een voedingsstof of een virus, zonder apparatuur door het veld te hoeven slepen om dit te doen, ontbrak. De mogelijkheid om het te doen zou veel deuren kunnen openen in diagnostiek en behandeling, ' zei Styczynski.

Bacteriën die de ingewanden openbreken

Het gebruiksgemak van de experimentele zinktest staat in schril contrast met het werk dat nodig is om het te ontwikkelen. De onderzoekers begonnen met het gebruik van levende bacteriën die van kleur veranderden als reactie op zink, maar die aanpak raakte haken en ogen.

"De test duurde te lang, en de hoeveelheid bloed en bacteriën die we nodig hadden was niet duidelijk, " zei Styczynski. "Dus, we gingen celvrij. Je neemt de bacteriën en verwijdert de buitenkant en het genoom - het belangrijkste DNA - en je blijft zitten met dit rijke mengsel van sterk reactieve delen, waaraan je je eigen genetische programma op de plasmiden kunt toevoegen."

Met celvrije benaderingen kunnen bacteriële ingewanden worden gedoseerd als verbindingen in een chemische reactie, de test voorspelbaar maken, betrouwbaar, en geschikt voor standaardisatie. De onderzoekers bouwden twee plasmiden om de testprocessen aan te sturen.

"De ene heeft de genen uit E. coli voor een enzym dat een grote suiker afbreekt in kleinere suikers. De andere regelt hoeveel van een regulatorgen wordt geactiveerd als reactie op zinkniveaus, ' zei Styczynski.

Paars worden

De test gebruikt een signaalmolecuul dat deels een grote suiker is en geel begint, maar zodra het plasmide een enzym maakt dat de suiker splitst, het molecuul wordt paars. Zinkniveaus regelen hoeveel enzym wordt gemaakt - meer zink betekent meer enzym en meer paars. Als de test geel blijft, zink is gevaarlijk laag.

Wanneer getest in serum, d.w.z. bloed, zijn rijke biologie vertroebelt de reactie, en in de echte wereld, die rommel verschilt van persoon tot persoon en zou kleurenschema's van patiënt tot patiënt scheeftrekken.

De onderzoekers losten dit op met een chemische truc om een ​​kalibratiesysteem te maken dat meestroomt met die scheefheid. Voor de eigenlijke toets het zink regelde hoe de plasmiden de kleur veranderen, maar de eerste auteur van de studie, Monica McNerney, dingen omgedraaid voor de kalibrator.

Om zijn referentiepunten te maken, ze maximaliseerde zinkniveaus en varieerde de niveaus van plasmiden punt voor punt, wat resulteert in een schaal van kleuren.

De test en de plasmide-gevarieerde kalibratiepunten ontvingen beide het te testen serum, en de rommel verschoof de test- en kalibratiepunten op identieke wijze. De veranderde kleur van de test kon nauwkeurig worden vergeleken met de kleuren van de kalibratiepunten om zinkniveaus vast te stellen.

De kleuren bevinden zich in het zichtbare bereik, niet fluorescerend, dus ze hebben geen apparaat nodig om te lezen. De snelheid van kleurverandering zou meer details over nutriëntenniveaus kunnen onthullen, misschien via een analyse van smartphonevideo die van de test is gemaakt.