Een snelle, goedkope techniek om virussen of eiwitten uit een monster in realtime te zien en te tellen, zonder chemicaliën of kleurstoffen, zou de basis kunnen vormen voor een nieuwe klasse apparaten voor snelle diagnostiek en bewaking van de virale belasting, waaronder hiv en het virus dat COVID-19 veroorzaakt.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign beschreven de techniek, genaamd fotonische resonator interferometrische verstrooiing microscopie, of PRISM, in het journaal Natuurcommunicatie .

"We hebben een nieuwe vorm van microscopie ontwikkeld die de interactie tussen licht en biologische materialen versterkt. We kunnen het gebruiken voor zeer snelle en gevoelige vormen van diagnostisch testen, en ook als een zeer krachtig hulpmiddel voor het begrijpen van biologische processen op de schaal van individuele items, zoals het tellen van individuele eiwitten of het registreren van individuele eiwitinteracties, " zei studieleider Brian Cunningham, de Intel Alumni Endowed Chair of Electrical and Computer Engineering en lid van het Holonyak Micro and Nanotechnology Lab en het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology in Illinois.

Bij optische microscopen, licht weerkaatst op alle moleculen of virussen die het op een objectglaasje tegenkomt, het creëren van een signaal. In plaats van een gewone glasplaat, de PRISM-techniek maakt gebruik van fotonisch kristal:een nanogestructureerd glasoppervlak dat slechts één golflengte van licht briljant weerkaatst. Cunningham's groep ontwierp en fabriceerde een fotonisch kristal dat rood licht reflecteert, zodat het licht van een rode laser zou worden versterkt.

"De moleculen waar we naar kijken - in deze studie, virussen en kleine eiwitten - zijn extreem klein. Ze kunnen niet genoeg licht verstrooien om een ​​signaal te creëren dat kan worden gedetecteerd door een conventionele optische microscoop, " zei afgestudeerde student Nantao Li, de eerste auteur van het artikel. "Het voordeel van het gebruik van het fotonische kristal is dat het de intensiteit van het licht versterkt, zodat het gemakkelijker is om die signalen te detecteren en ons in staat stelt deze eiwitten en virussen te bestuderen zonder chemische labels of kleurstoffen die hun natuurlijke staat zouden kunnen wijzigen of hun activiteit zouden kunnen belemmeren - we kunnen gebruik gewoon het intrinsieke verstrooiingssignaal als maatstaf om te bepalen of die moleculen aanwezig zijn."

De onderzoekers verifieerden hun techniek door het virus te detecteren dat COVID-19 veroorzaakt. PRISM detecteerde individuele coronavirussen terwijl ze over het oppervlak van de dia reisden. De onderzoekers gebruikten PRISM ook om individuele eiwitten zoals ferritine en fibrinogeen te detecteren. De techniek zou onderzoekers in staat kunnen stellen om dergelijke biologische doelen in hun natuurlijke staat te bestuderen - kijkend naar eiwitten die op elkaar inwerken, bijvoorbeeld - of onderzoekers kunnen het oppervlak van de fotonische kristaldia bezaaien met antilichamen of andere moleculen om de beoogde items te vangen en op hun plaats te houden.

"Het duurt 10 seconden om een ​​meting te krijgen, en in die tijd kunnen we het aantal virussen tellen dat op de sensor is vastgelegd, " zei Cunningham. "Het is een detectiemethode in één stap die werkt bij kamertemperatuur. Het is ook snel, zeer gevoelig en lage kosten. Het is heel anders dan de standaard manier waarop we nu virale tests doen, waarbij de virussen worden opengebroken, door hun genetisch materiaal te extraheren en het door een chemisch amplificatieproces te laten gaan, zodat we het kunnen detecteren. die methode, genaamd PCR, nauwkeurig en gevoelig is, maar het heeft tijd nodig gespecialiseerde apparatuur en opgeleide technici."

De groep van Cunningham werkt aan de integratie van PRISM-technologie in draagbare, snelle diagnostische apparaten voor het bewaken van de virusbelasting van COVID-19 en HIV. De groep onderzoekt prototype-apparaten met filters voor bloedmonsters en zelfs condensatiekamers voor ademtests.

"We gaan dit ook gebruiken als onderzoeksinstrument voor biologie en kanker, " zei Cunningham. "We kunnen het gebruiken om eiwitinteracties te begrijpen die deel uitmaken van ziekteprocessen. We zijn geïnteresseerd om het te gebruiken om deze kleine blaasjes te detecteren die kankercellen afstoten, en om te zien uit welke weefsels ze komen, voor diagnose, en ook om te bestuderen welke lading ze uit de kankercellen vervoeren."