Quando è necessario misurare la conta dei globuli bianchi, di solito ciò comporta viaggi in cliniche e attrezzature costose per l'analisi. Allo stesso modo, controllare la qualità dell'acqua per individuare eventuali contaminanti può essere un processo lungo.
Ma ora i ricercatori del Tufts stanno escogitando modi per eseguire alcuni di questi test che riducano notevolmente i costi e li rendano più ampiamente disponibili. Stanno usando qualcosa di onnipresente:la carta. I loro innovativi test cartacei per il monitoraggio della salute personale e della sicurezza ambientale eliminano la necessità di costose apparecchiature di laboratorio e possono essere condotti da chiunque, ovunque.
Conosciuti come dispositivi analitici cartacei, possono essere prodotti a basso costo, conservati per lunghi periodi di tempo, distribuiti per l’uso in aree remote e utilizzati per raccogliere informazioni critiche quando e dove sono più necessarie. Ciascuno di essi rappresenta inoltre una piattaforma tecnologica che può essere estesa per misurare altri indicatori per la salute e l'ambiente.
Prendi una delle misurazioni più vitali in ambito sanitario:il conteggio delle cellule del sangue. La sola misurazione dei globuli bianchi fornisce indizi su tutto, dalle infezioni alle malattie autoimmuni al cancro. Sebbene la raccolta del campione (un prelievo di sangue) sembri semplice, richiede una visita in una clinica e l’accesso a laboratori clinici centralizzati per l’analisi. Grandi popolazioni, ovvero coloro che sono costretti a casa o vivono in luoghi remoti, non hanno tale accesso.
Charlie Mace, professore associato di chimica, ha pensato a un modo per aiutare. Lui e il suo team hanno creato un dispositivo di carta chiamato cartoncino con macchie di sangue essiccato, in cui la carta è progettata con canali e zone di raccolta che misurano volumi definiti di sangue e gli consentono di asciugarsi sul posto per analisi successive. La ricerca è pubblicata sulla rivista Analytical Chemistry .
Tutto ciò che gli utenti devono fare è raccogliere il sangue a casa con una puntura del dito e spedire il campione a un laboratorio, che misura la quantità di DNA unica dei globuli bianchi e indica il numero di cellule presenti.
"I metodi per raccogliere il sangue su schede di carta esistono già, ma hanno sofferto di imprecisioni perché sia il materiale che l'utente introducono variazioni che influenzano il volume di sangue misurato", ha affermato Mace. "Le carte con motivi risolvono questo problema e il modo in cui misuriamo i conteggi, con strumenti che quantificano il DNA anziché le cellule intere, significa che non dipendiamo dal fatto che le cellule arrivino intatte."
Attraverso collaborazioni locali, il lavoro di Mace su questo e altri dispositivi analitici cartacei ha raggiunto il Sud Africa, il Ghana e altri paesi africani, nonché il Sud America. "Le persone nelle regioni remote e a basso reddito tendono ad avere un accesso ridotto all'assistenza sanitaria, il che rende ancora più importante trovare metodi più economici e semplici per monitorare gli indicatori di salute", ha affermato Mace.
"È probabile che questa tecnologia abbia ulteriori applicazioni nelle malattie infettive, come il rilevamento dei livelli di virus e parassiti nel sangue e, più in generale, il rilevamento di indicatori di salute e benessere."
Un sudato indicatore di salute
Fiorenzo Omenetto, professore di ingegneria Frank C. Doble, e il suo team presso il Silklab della Tufts University hanno creato un dispositivo analitico su carta in grado di misurare il lattato, noto anche come acido lattico, nel sudore. Un articolo su questa innovazione è stato pubblicato su Advanced Sensor Research .
Le misurazioni del lattato possono indicare una carenza di ossigeno ed essere utilizzate come predittore di mortalità nei pazienti traumatizzati. Per gli atleti o i lavoratori in condizioni fisicamente stressanti, il lattato fornisce una misura quantitativa dell'affaticamento muscolare, nonché dei livelli di forma fisica e condizionamento.
Omenetto ha utilizzato inchiostri bioreattivi derivati dalla fibroina della seta, l'elemento costitutivo delle fibre di seta, combinati con enzimi che elaborano il lattato per innescare un cambiamento di colore quando è presente.
Gli inchiostri vengono stampati su piccole linguette circolari di carta, che vengono attaccate alla pelle mediante una comune pellicola trasparente utilizzata per la medicazione delle ferite. Il colore delle pastiglie varia dal giallo al rosso scuro a seconda della concentrazione di lattato nel sudore. Questi cambiamenti di colore vengono misurati utilizzando la fotocamera di uno smartphone e hanno una precisione paragonabile ai risultati ottenuti utilizzando costose apparecchiature di laboratorio.
"La fibroina di seta ha una notevole capacità di stabilizzare gli enzimi nell'inchiostro, quindi i cerotti hanno una durata di conservazione molto lunga, finora oltre due anni sotto refrigerazione", ha affermato Elisabetta Ruggeri, EG25, che ha guidato lo sviluppo dei dispositivi di carta. "Il metodo può essere ampliato per creare inchiostri che misurano altri elementi presenti nel sudore, per ottenere un profilo più completo della salute e delle prestazioni della persona con un pannello di linguette di carta. È come indossare un laboratorio sulla pelle."
In tutto il mondo, la scarsa qualità dell’acqua e le malattie trasmesse dall’acqua sono problemi seri e colpiscono milioni di persone. Ora Sameer Sonkusale, professore di ingegneria elettrica e informatica, e il Nano Lab della Tufts University hanno sviluppato un nuovo dispositivo analitico su carta in grado di rilevare e misurare la contaminazione batterica nell’acqua. Questa ricerca è stata pubblicata su ACS Sensors .
Il metodo utilizza nanoparticelle d’oro attaccate a un antibiotico chiamato polimixina che si lega ai batteri gram negativi, i soliti sospetti nella contaminazione dell’acqua. Quando sono presenti i batteri, si legano e aggregano le particelle d'oro nel dispositivo. Man mano che le particelle d'oro si raccolgono, iniziano a cambiare colore da rosa-rossastro a blu. Una fotocamera per smartphone e un'app pronta all'uso chiamata ColorAssist consentono la misurazione del cambiamento di colore e possono quantificare il livello di batteri nel campione.
Nello stesso dispositivo analitico cartaceo, infatti, i ricercatori hanno creato un’altra zona di raccolta che quantifica la presenza di nitriti, un altro pericoloso contaminante presente nell’acqua. La stampa e la fusione in un modello in cera creano zone e canali di prova sul dispositivo di carta. In questo modo, un dispositivo potrebbe essere progettato per testare un gran numero di contaminanti diversi in un campione d'acqua.
L’uso di nanoparticelle d’oro, anziché di enzimi o anticorpi, garantisce che i test su carta siano stabili e possano essere conservati per lunghi periodi senza refrigerazione. Nonostante siano costituiti essenzialmente da un pezzo di carta e da uno smartphone, i test sono paragonabili in termini di accuratezza ai test commerciali e di laboratorio.
Questi dispositivi cartacei per la qualità dell'acqua, economici e facili da usare, presentano molti vantaggi, in particolare per il monitoraggio dell'acqua in aree remote del mondo dove mancano le infrastrutture igienico-sanitarie.
I dispositivi cartacei possono anche monitorare l’acqua utilizzata per lavare i prodotti e avvisare gli utenti di eventuali agenti patogeni di origine alimentare potenzialmente dannosi. Per i militari, l'accesso all'acqua pulita è fondamentale per le operazioni e un test cartaceo semplice, leggero ed economico per la qualità dell'acqua potrebbe essere una risorsa vitale.
Il dispositivo di carta di Sonkusale ha applicazioni sanitarie oltre al test della qualità dell'acqua. "Il rilevamento delle infezioni del tratto urinario è purtroppo un problema molto comune, soprattutto tra le donne e gli anziani", ha affermato. "Possiamo mettere a disposizione di ogni paziente suscettibile un test cartaceo di facile utilizzo e, con la diagnosi precoce, salvare molte vite poiché l'infezione può spesso progredire fino alla sepsi se non viene diagnosticata in tempo."
Ulteriori informazioni: Allison J. Tierney et al, Il campionamento indipendente dall'ematocrito consente la conta dei globuli bianchi da carte con macchie di sangue essiccato modellate, Chimica analitica (2024). DOI:10.1021/acs.analchem.3c04439
Elisabetta Ruggeri et al, Patch indossabili cartacei per il monitoraggio quantitativo del lattato in tempo reale, Ricerca avanzata sui sensori (2023). DOI:10.1002/adsr.202300141
Kawin Khachornsakkul et al, Dispositivo analitico in carta microfluidica basato su nanomateriali dorati per la quantificazione simultanea di batteri Gram-negativi e ioni nitrito nei campioni di acqua, Sensori ACS (2023). DOI:10.1021/acssensors.3c01769
Informazioni sul giornale: Sensori ACS , Chimica Analitica
Fornito dalla Tufts University
