De kwantumdetectiecapaciteiten van nanodiamanten kunnen worden gebruikt om de gevoeligheid van op papier gebaseerde diagnostische tests te verbeteren, mogelijk waardoor ziekten zoals hiv eerder kunnen worden opgespoord, volgens een onderzoek onder leiding van UCL-onderzoekers in de i-sense McKendry-groep.

Op papier gebaseerde laterale flow-tests werken op dezelfde manier als een zwangerschapstest, omdat een strook papier wordt gedrenkt in een vloeistofmonster en een verandering in kleur - of fluorescerend signaal - wijst op een positief resultaat en de detectie van viruseiwitten of DNA. Ze worden veel gebruikt om virussen te detecteren, variërend van HIV tot SARS-CoV-2 (laterale flow-tests voor Covid-19 worden momenteel in heel Engeland getest) en kunnen een snelle diagnose bieden, omdat de resultaten niet in een laboratorium hoeven te worden verwerkt.

Het nieuwe onderzoek, gepubliceerd in Natuur , ontdekte dat goedkope nanodiamanten kunnen worden gebruikt om de aanwezigheid van een hiv-ziektemarker te signaleren met een gevoeligheid die vele duizenden keren groter is dan de gouden nanodeeltjes die veel worden gebruikt in deze tests.

Door deze grotere gevoeligheid kunnen lagere virale ladingen worden gedetecteerd, wat betekent dat de test lagere ziekteniveaus kan oppikken of de ziekte in een vroeger stadium kan detecteren, die cruciaal is voor het verminderen van het overdrachtsrisico van geïnfecteerde personen en voor een effectieve behandeling van ziekten zoals HIV.

Het onderzoeksteam werkt de komende maanden aan het aanpassen van de nieuwe technologie om te testen op COVID-19 en andere ziekten. Een belangrijke volgende stap is het ontwikkelen van een handapparaat dat de resultaten kan "lezen", zoals de techniek werd gedemonstreerd met behulp van een microscoop in een laboratorium. Verdere klinische evaluatiestudies zijn ook gepland.

Hoofdauteur Professor Rachel McKendry, Hoogleraar biomedische nanotechnologie aan de UCL en directeur van i-sense EPSRC IRC, zei:"Onze proof-of-concept-studie laat zien hoe kwantumtechnologieën kunnen worden gebruikt om ultralage niveaus van virussen in een patiëntmonster te detecteren, waardoor een veel eerdere diagnose mogelijk is.

"We hebben ons gericht op de detectie van hiv, maar onze aanpak is zeer flexibel en kan gemakkelijk worden aangepast aan andere ziekten en biomarkertypes. We werken eraan om onze aanpak aan te passen aan COVID-19. Wij zijn van mening dat deze transformerende nieuwe technologie patiënten ten goede zal komen en de bevolking zal beschermen tegen infectieziekten."

De onderzoekers maakten gebruik van de kwantumeigenschappen van nanodiamanten die met een precieze imperfectie zijn vervaardigd. Dit defect in de zeer regelmatige structuur van een diamant creëert een zogenaamde stikstof-leegstand (NV) centrum. NV-centra hebben veel potentiële toepassingen, van fluorescerende biomarking voor gebruik in ultragevoelige beeldvorming tot qubits voor informatieverwerking in kwantumcomputing.

De NV-centra kunnen de aanwezigheid van een antigeen of een ander doelmolecuul signaleren door een helder fluorescerend licht uit te zenden. Vroeger, fluorescerende markers zijn beperkt door achtergrondfluorescentie, hetzij uit het monster of de teststrip, waardoor het moeilijker wordt om lage concentraties viruseiwitten of DNA te detecteren die op een positieve test zouden wijzen. Echter, de kwantumeigenschappen van fluorescerende nanodiamanten zorgen ervoor dat hun emissie selectief kan worden gemoduleerd, wat betekent dat het signaal kan worden gefixeerd op een ingestelde frequentie met behulp van een microgolfveld en efficiënt kan worden gescheiden van de achtergrondfluorescentie, deze beperking aanpakken.

De optische resultaten toonden tot vijf ordes van grootte (100, 000 keer) verbetering in gevoeligheid vergeleken met gouden nanodeeltjes (dat wil zeggen, er waren veel minder nanodeeltjes nodig om een ​​detecteerbaar signaal te genereren). Met de toevoeging van een korte versterkingsstap van 10 minuten bij constante temperatuur, waarin kopieën van het RNA werden vermenigvuldigd, de onderzoekers konden hiv-RNA detecteren op het niveau van een enkel molecuul in een modelmonster.

Het werk werd gedemonstreerd in een laboratoriumomgeving, maar het team hoopt de tests zo te ontwikkelen dat de resultaten kunnen worden afgelezen met een smartphone of draagbare fluorescentielezer. Dit betekent dat de test kan, in de toekomst, worden uitgevoerd in low-resource-instellingen, toegankelijker maken voor gebruikers.

Eerste auteur Dr. Ben Miller (i-sense Postdoctoral Research Associate bij het London Centre for Nanotechnology aan de UCL) zei:"Op papier gebaseerde laterale stromingstests met gouden nanodeeltjes vereisen geen laboratoriumanalyse, waardoor ze bijzonder nuttig zijn in omgevingen met weinig middelen en waar de toegang tot gezondheidszorg beperkt is. Ze zijn goedkoop, draagbaar, en gebruiksvriendelijk.

"Echter, deze tests missen momenteel de gevoeligheid om zeer lage niveaus van biomarkers te detecteren. Door veelgebruikte gouden nanodeeltjes te vervangen door fluorescerende nanodiamanten in dit nieuwe ontwerp, en het selectief moduleren van hun (reeds heldere) emissie van licht, we hebben hun signaal kunnen scheiden van de ongewenste achtergrondfluorescentie van de teststrip, drastisch verbeteren van de gevoeligheid."

Co-auteur professor John Morton, Directeur van het Quantum Science and Technology Institute (UCLQ) van de UCL, zei:"Deze interdisciplinaire samenwerking tussen UCLQ en het i-sense-team in de LCN is een fantastische illustratie van hoe fundamenteel werk aan kwantumsystemen, zoals NV centrum in diamant, kan evolueren vanuit het lab en een cruciale rol spelen in real-world toepassingen in detectie en diagnostiek. Onderzoekers van de UCLQ onderzoeken en maken de impact van deze en andere kwantumtechnologieën mogelijk door samen te werken met de industrie en andere academische onderzoeksgroepen."