يمكن استخدام قدرات الاستشعار الكمي للألماس النانوي لتحسين حساسية الاختبارات التشخيصية الورقية ، مما قد يسمح بالكشف المبكر عن أمراض مثل فيروس نقص المناعة البشرية ، وفقًا لدراسة جديدة.
يمكن استخدام قدرات الاستشعار الكمي للألماس النانوي لتحسين حساسية الاختبارات التشخيصية الورقية ، مما قد يسمح بالكشف المبكر عن أمراض مثل فيروس نقص المناعة البشرية ، وفقًا لدراسة قادها باحثو UCL في مجموعة i-sense McKendry.
تعمل اختبارات التدفق الجانبي المستندة إلى الورق بنفس طريقة اختبار الحمل حيث يتم نقع شريط من الورق في عينة سائلة والتغيير في اللون - أو إشارة الفلورسنت - يشير إلى نتيجة إيجابية ويكشف عن بروتينات الفيروس أو الحمض النووي . تُستخدم على نطاق واسع للكشف عن فيروسات تتراوح من فيروس نقص المناعة البشرية إلى SARS-CoV-2 (يتم حاليًا تجريب اختبارات التدفق الجانبي لـ Covid-19 في جميع أنحاء إنجلترا) ويمكن أن توفر تشخيصًا سريعًا ، حيث لا يلزم معالجة النتائج في المختبر .
وجد البحث الجديد ، الذي نُشر في مجلة Nature ، أنه يمكن استخدام الألماس النانوي منخفض التكلفة للإشارة إلى وجود علامة مرض فيروس نقص المناعة البشرية بحساسية أكبر بعدة آلاف من المرات من جزيئات الذهب النانوية المستخدمة على نطاق واسع في هذه الاختبارات.
تسمح هذه الحساسية الفائقة باكتشاف حمولات فيروسية أقل ، مما يعني أن الاختبار يمكن أن يلتقط مستويات أقل من المرض أو يكتشف المرض في مرحلة مبكرة ، وهو أمر حاسم لتقليل مخاطر انتقال الأفراد المصابين ولعلاج فعال لأمراض مثل فيروس نقص المناعة البشرية.
يعمل فريق البحث على تكييف التكنولوجيا الجديدة لاختبار COVID-19 وأمراض أخرى خلال الأشهر المقبلة. تتمثل الخطوة الرئيسية التالية في تطوير جهاز محمول باليد يمكنه "قراءة" النتائج ، كما تم عرض التقنية باستخدام مجهر في المختبر. كما تم التخطيط لمزيد من دراسات التقييم السريري.
قالت المؤلفة الرئيسية البروفيسور راشيل ماكيندري ، أستاذة تكنولوجيا النانو الطبية الحيوية في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس ومديرة i-sense EPSRC IRC: "تُظهر دراستنا لإثبات المفهوم كيف يمكن استخدام تقنيات الكم لاكتشاف مستويات منخفضة للغاية من الفيروسات في عينة مريض التشخيص المبكر".
"لقد ركزنا على اكتشاف فيروس نقص المناعة البشرية ، ولكن نهجنا مرن للغاية ويمكن تكييفه بسهولة مع الأمراض الأخرى وأنواع العلامات الحيوية. نحن نعمل على تكييف نهجنا مع COVID-19. ونعتقد أن هذه التكنولوجيا التحويلية الجديدة ستفيد المرضى وحماية السكان من الأمراض المعدية ".
استفاد الباحثون من الخصائص الكمومية للألماس النانوي. هذا العيب في الهيكل المنتظم للغاية للماس يخلق ما يسمى مركز فراغ النيتروجين (NV). تمتلك مراكز NV العديد من التطبيقات المحتملة ، من العلامات الحيوية الفلورية للاستخدام في التصوير شديد الحساسية إلى وحدات معالجة المعلومات في الحوسبة الكمومية.
يمكن لمراكز NV الإشارة إلى وجود مستضد أو جزيء مستهدف آخر عن طريق إصدار ضوء فلورسنت ساطع. في الماضي ، كانت علامات الفلورسنت محدودة بسبب تألق الخلفية ، إما من العينة أو من شريط الاختبار ، مما يجعل من الصعب اكتشاف التركيزات المنخفضة من بروتينات الفيروس أو الحمض النووي التي تشير إلى اختبار إيجابي. ومع ذلك ، فإن الخصائص الكمومية للألماس النانوي الفلوري تسمح بانبعاثاتها بالتعديل الانتقائي ، مما يعني أنه يمكن إصلاح الإشارة بتردد محدد باستخدام مجال ميكروويف ويمكن فصلها بكفاءة عن تألق الخلفية ، مع معالجة هذا القيد.
أظهرت النتائج البصرية تحسنًا في الحساسية يصل إلى خمسة مضاعفات أُسية (100،000 مرة) مقارنة بجسيمات الذهب النانوية (أي أن عددًا أقل بكثير من الجسيمات النانوية كان مطلوبًا لتوليد إشارة قابلة للاكتشاف). بإدراج خطوة قصيرة لتضخيم درجة حرارة ثابتة مدتها 10 دقائق ، والتي تضاعفت فيها نسخ الحمض النووي الريبي ، تمكن الباحثون من اكتشاف الحمض النووي الريبي لفيروس HIV على مستوى جزيء واحد في عينة نموذجية.
تم عرض العمل في بيئة معملية ولكن الفريق يأمل في تطوير الاختبارات بحيث يمكن قراءة النتائج باستخدام هاتف ذكي أو قارئ محمول. وهذا يعني أنه يمكن إجراء الاختبار في المستقبل في ظروف منخفضة الموارد ، مما يجعله أكثر سهولة للمستخدمين.
قال المؤلف الأول الدكتور بن ميلر (مساعد أبحاث ما بعد الدكتوراه في آي سينس في مركز لندن لتقنية النانو في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس): "لا تتطلب اختبارات التدفق الجانبي المستندة إلى الورق مع جزيئات الذهب النانوية تحليلًا معمليًا ، مما يجعلها مفيدة بشكل خاص في الأماكن منخفضة الموارد وحيث الوصول للرعاية الصحية محدودة ، فهي منخفضة التكلفة ومحمولة وسهلة الاستخدام.
"ومع ذلك ، تفتقر هذه الاختبارات حاليًا إلى الحساسية لاكتشاف المستويات المنخفضة جدًا من المؤشرات الحيوية. من خلال استبدال الجسيمات النانوية الذهبية الشائعة الاستخدام بألماس نانوي فلورسنت في هذا التصميم الجديد ، وتعديل انبعاثها (الساطع بالفعل) للضوء بشكل انتقائي ، تمكنا من فصل إشارة من تألق الخلفية غير المرغوب فيه لشريط الاختبار ، مما يؤدي إلى تحسين الحساسية بشكل كبير ".
قال المؤلف المشارك البروفيسور جون مورتون ، مدير معهد علوم وتكنولوجيا الكم في UCLQ: "هذا التعاون متعدد التخصصات بين UCLQ وفريق i-sense في LCN هو توضيح رائع لكيفية العمل التأسيسي على أنظمة الكم ، مثلا يمكن أن يتطور مركز NV في الماس من المختبر ويلعب دورًا حاسمًا في تطبيقات العالم الحقيقي في الاستشعار والتشخيص.يعكف الباحثون في UCLQ على استكشاف وتمكين تأثير هذه التقنيات الكمومية وغيرها من خلال العمل مع الصناعة ومجموعات البحث الأكاديمية الأخرى.
المصدر