Wetenschap
Bloed, zweet en water:nieuwe papieren analytische apparaten volgen gemakkelijk de gezondheid en het milieu
Wanneer u het aantal witte bloedcellen moet meten, gaat dit meestal gepaard met bezoeken aan klinieken en dure apparatuur voor analyse. Op dezelfde manier kan het controleren van de waterkwaliteit op verontreinigingen een langdurig proces zijn.
Maar nu komen Tufts-onderzoekers met manieren om sommige van deze tests uit te voeren, waardoor de kosten aanzienlijk worden verlaagd en ze breder beschikbaar worden. Ze gebruiken iets alomtegenwoordig:papier. Hun innovatieve, op papier gebaseerde tests voor het monitoren van de persoonlijke gezondheid en de veiligheid van het milieu elimineren de noodzaak van dure laboratoriumapparatuur en kunnen door iedereen en overal worden uitgevoerd.
Ze staan bekend als papieren analytische apparaten en kunnen goedkoop worden vervaardigd, voor langere tijd worden opgeslagen, gedistribueerd voor gebruik in afgelegen gebieden en worden gebruikt om kritische informatie te verzamelen wanneer en waar deze het meest nodig is. Ze vertegenwoordigen ook elk een technologieplatform dat kan worden uitgebreid om andere indicatoren voor de gezondheid en het milieu te meten.
Voer een van de meest cruciale metingen in de gezondheidszorg uit:het aantal bloedcellen. Alleen al het meten van witte bloedcellen geeft aanwijzingen voor allerlei zaken, van infecties tot auto-immuunziekten en kanker. Hoewel het verzamelen van monsters – een bloedafname – eenvoudig lijkt, vereist het een bezoek aan een kliniek en toegang tot gecentraliseerde klinische laboratoria voor analyse. Grote groepen mensen (zij die aan huis gebonden zijn of op afgelegen locaties wonen) hebben die toegang niet.
Charlie Mace, universitair hoofddocent scheikunde, bedacht een manier om te helpen. Hij en zijn team creëerden een papieren apparaat, een gedroogde bloedvlekkenkaart met een patroon, waarin het papier is ontworpen met kanalen en verzamelzones die gedefinieerde hoeveelheden bloed afmeten en het ter plaatse laten drogen voor latere analyse. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Analytical Chemistry .
Het enige wat gebruikers hoeven te doen is thuis bloed afnemen met een vingerprik en het monster naar een laboratorium sturen, dat de hoeveelheid DNA meet die uniek is voor de witte bloedcellen en het aantal aanwezige cellen aangeeft.
"Er bestaan al methoden om bloed op papieren kaarten te verzamelen, maar deze hebben te lijden onder onnauwkeurigheid omdat zowel het materiaal als de gebruiker variaties introduceren die het gemeten bloedvolume beïnvloeden", aldus Mace. "De kaarten met patronen lossen dat probleem op, en de manier waarop we aantallen meten – met instrumenten die DNA kwantificeren in plaats van hele cellen – betekent dat we er niet afhankelijk van zijn dat de cellen intact aankomen."
Via lokale samenwerkingen heeft Mace's werk aan dit en andere papieren analytische apparaten Zuid-Afrika, Ghana en andere Afrikaanse landen bereikt, evenals Zuid-Amerika. "Mensen in afgelegen gebieden en regio's met lage inkomens hebben doorgaans minder toegang tot gezondheidszorg, wat het des te belangrijker maakt om met goedkopere en gemakkelijkere manieren te komen om gezondheidsindicatoren te monitoren", aldus Mace.
"Deze technologie zal waarschijnlijk aanvullende toepassingen hebben bij infectieziekten, zoals het detecteren van virus- en parasietenniveaus in het bloed en meer in het algemeen bij het detecteren van markers van gezondheid en welzijn."
Een zweterige indicator van gezondheid
Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble hoogleraar Engineering, en zijn team aan het Tufts University Silklab hebben een papieren analytisch apparaat gemaakt dat lactaat, ook bekend als melkzuur, in zweet kan meten. Een artikel over deze innovatie is gepubliceerd in Advanced Sensor Research .
Lactaatmetingen kunnen wijzen op zuurstoftekort en kunnen worden gebruikt als voorspeller van sterfte bij traumapatiënten. Voor atleten of werknemers in fysiek stressvolle omstandigheden biedt lactaat een kwantitatieve maatstaf voor spiervermoeidheid, evenals voor de conditie en conditie.
Omenetto gebruikte bioreactieve inkten afgeleid van zijdefibroïne (de bouwsteen van zijdevezels) in combinatie met enzymen die lactaat verwerken om een kleurverandering teweeg te brengen als het aanwezig is.
De inkten worden gedrukt op kleine ronde papieren lipjes, die op de huid worden geplakt met behulp van een gewone transparante film die wordt gebruikt voor wondverband. De kleur van de lipjes verschuift van geel naar donkerrood, afhankelijk van de lactaatconcentratie in het zweet. Deze kleurverschuivingen worden gemeten met behulp van een smartphonecamera en hebben een nauwkeurigheid die vergelijkbaar is met resultaten met dure laboratoriumapparatuur.
"De zijdefibroïne heeft een opmerkelijk vermogen om de enzymen in de inkt te stabiliseren, dus de pleisters hebben een zeer lange houdbaarheid - tot nu toe meer dan twee jaar in de koeling", zegt Elisabetta Ruggeri, EG25, die leiding gaf aan de ontwikkeling van de papieren apparaten. "De methode kan worden uitgebreid om inkten te maken die andere elementen in zweet meten - om een completer profiel van de gezondheid en prestaties van de persoon te krijgen met een paneel met papieren tabbladen. Het is alsof je een laboratorium op je huid draagt."
Gouden standaard voor watertesten
Over de hele wereld vormen een slechte waterkwaliteit en door water overgedragen ziekten ernstige problemen waar miljoenen mensen last van hebben. Nu hebben Sameer Sonkusale, hoogleraar elektrische en computertechniek, en het Tufts University Nano Lab een nieuw papieren analytisch apparaat ontwikkeld dat bacteriële besmetting in water kan detecteren en meten. Dit onderzoek is gepubliceerd in ACS Sensors .
De methode maakt gebruik van gouden nanodeeltjes die zijn vastgemaakt aan een antibioticum genaamd polymyxine dat zich bindt aan gramnegatieve bacteriën – de gebruikelijke verdachten bij waterverontreiniging. Als er bacteriën aanwezig zijn, binden ze zich aan de gouddeeltjes in het apparaat en aggregeren ze deze. Terwijl de gouddeeltjes zich verzamelen, beginnen ze hun kleur te veranderen van roodachtig roze naar blauw. Een smartphonecamera en een kant-en-klare app genaamd ColorAssist maken het mogelijk de kleurverschuiving te meten en het aantal bacteriën in het monster te kwantificeren.
In hetzelfde papieren analytische apparaat creëerden de onderzoekers zelfs een andere verzamelzone die de aanwezigheid van nitriet kwantificeert, een andere gevaarlijke verontreiniging in water. Door het printen en smelten in een waspatroon ontstaan er testzones en kanalen op het papierapparaat. Op deze manier kan één apparaat worden ontworpen om te testen op een groot aantal verschillende verontreinigingen in een watermonster.
Het gebruik van gouden nanodeeltjes, in plaats van enzymen of antilichamen, zorgt ervoor dat de papieren tests stabiel zijn en voor langere tijd zonder koeling kunnen worden bewaard. Ondanks dat ze in principe uit een stuk papier en een smartphone bestaan, zijn de tests qua nauwkeurigheid vergelijkbaar met commerciële en laboratoriumtests.
Er zitten veel voordelen aan deze goedkope, gebruiksvriendelijke papierapparaten met waterkwaliteit, vooral voor het monitoren van water in afgelegen gebieden van de wereld waar de sanitaire infrastructuur ontbreekt.
De papieren apparaten kunnen ook het water monitoren dat wordt gebruikt om producten te wassen en gebruikers waarschuwen voor mogelijk schadelijke door voedsel overgedragen ziekteverwekkers. Voor het leger is toegang tot schoon water van fundamenteel belang voor operaties, en een eenvoudige, lichte, goedkope, op papier gebaseerde test voor de waterkwaliteit zou van cruciaal belang kunnen zijn.
Het papieren apparaat van Sonkusale heeft ook gezondheidstoepassingen die verder gaan dan het testen van de waterkwaliteit. "Detectie van urineweginfecties is helaas een veel voorkomend probleem, vooral onder vrouwen en ouderen", zei hij. "We kunnen elke gevoelige patiënt een eenvoudig te gebruiken, op papier gebaseerde test geven, en met vroege detectie veel levens redden, omdat infecties vaak kunnen overgaan in sepsis als ze niet op tijd worden opgemerkt."