Le capacità di rilevamento quantistico dei nanodiamanti possono essere utilizzate per migliorare la sensibilità dei test diagnostici cartacei, potenzialmente consentendo la diagnosi precoce di malattie come l'HIV, secondo uno studio condotto dai ricercatori dell'UCL nel gruppo i-sense McKendry.

I test di flusso laterale basati su carta funzionano allo stesso modo di un test di gravidanza in quanto una striscia di carta viene imbevuta di un campione di fluido e un cambiamento di colore, o segnale fluorescente, indica un risultato positivo e il rilevamento di proteine ​​virali o DNA. Sono ampiamente utilizzati per rilevare virus che vanno dall'HIV al SARS-CoV-2 (i test di flusso laterale per Covid-19 sono attualmente in fase di sperimentazione in tutta l'Inghilterra) e possono fornire una diagnosi rapida, poiché i risultati non devono essere elaborati in un laboratorio.

La nuova ricerca, pubblicato in Natura , hanno scoperto che i nanodiamanti a basso costo potrebbero essere utilizzati per segnalare la presenza di un marcatore della malattia dell'HIV con una sensibilità molte migliaia di volte maggiore delle nanoparticelle d'oro ampiamente utilizzate in questi test.

Questa maggiore sensibilità consente di rilevare cariche virali inferiori, il che significa che il test potrebbe rilevare livelli inferiori di malattia o rilevare la malattia in una fase precedente, che è fondamentale per ridurre il rischio di trasmissione di individui infetti e per un trattamento efficace di malattie come l'HIV.

Il team di ricerca sta lavorando per adattare la nuova tecnologia per testare COVID-19 e altre malattie nei prossimi mesi. Un passaggio chiave successivo è lo sviluppo di un dispositivo portatile in grado di "leggere" i risultati, come la tecnica è stata dimostrata utilizzando un microscopio in un laboratorio. Sono inoltre previsti ulteriori studi di valutazione clinica.

L'autore principale, la professoressa Rachel McKendry, Professore di nanotecnologia biomedica presso l'UCL e direttore di i-sense EPSRC IRC, ha dichiarato:"Il nostro studio di prova mostra come le tecnologie quantistiche possono essere utilizzate per rilevare livelli ultrabassi di virus in un campione di un paziente, consentendo una diagnosi molto più precoce.

"Ci siamo concentrati sulla rilevazione dell'HIV, ma il nostro approccio è molto flessibile e può essere facilmente adattato ad altre malattie e tipi di biomarcatori. Stiamo lavorando per adattare il nostro approccio al COVID-19. Riteniamo che questa nuova tecnologia trasformativa andrà a beneficio dei pazienti e proteggerà le popolazioni dalle malattie infettive".

I ricercatori hanno sfruttato le proprietà quantistiche dei nanodiamanti prodotti con una precisa imperfezione. Questo difetto nella struttura altamente regolare di un diamante crea quello che viene chiamato un centro di azoto vacante (NV). I centri NV hanno molte potenziali applicazioni, dalla biomarcatura fluorescente per l'uso nell'imaging ultrasensibile ai qubit di elaborazione delle informazioni nell'informatica quantistica.

I centri NV possono segnalare la presenza di un antigene o di un'altra molecola bersaglio emettendo una luce fluorescente brillante. Nel passato, i marcatori fluorescenti sono stati limitati dalla fluorescenza di fondo, dal campione o dalla striscia reattiva, rendendo più difficile rilevare basse concentrazioni di proteine ​​virali o DNA che indicherebbero un test positivo. Però, le proprietà quantistiche dei nanodiamanti fluorescenti consentono di modulare selettivamente la loro emissione, il che significa che il segnale può essere fissato a una frequenza impostata utilizzando un campo a microonde e può essere separato in modo efficiente dalla fluorescenza di fondo, affrontare questa limitazione.

I risultati ottici hanno mostrato fino a cinque ordini di grandezza (100, 000 volte) miglioramento della sensibilità rispetto alle nanoparticelle d'oro (cioè, era necessario un numero molto inferiore di nanoparticelle per generare un segnale rilevabile). Con l'inclusione di un breve passaggio di amplificazione a temperatura costante di 10 minuti, in cui sono state moltiplicate le copie dell'RNA, i ricercatori sono stati in grado di rilevare l'RNA dell'HIV a livello di una singola molecola in un campione modello.

Il lavoro è stato dimostrato in un ambiente di laboratorio, ma il team spera di sviluppare i test in modo che i risultati possano essere letti con uno smartphone o un lettore portatile a fluorescenza. Ciò significa che il test potrebbe, in futuro, essere eseguito in ambienti con risorse limitate, rendendolo più accessibile agli utenti.

Il primo autore, il dott. Ben Miller (i-sense Postdoctoral Research Associate presso il London Centre for Nanotechnology presso l'UCL) ha dichiarato:"I test di flusso laterale su carta con nanoparticelle d'oro non richiedono analisi di laboratorio, rendendoli particolarmente utili in contesti con risorse limitate e dove l'accesso all'assistenza sanitaria è limitato. sono a basso costo, portatile, e facile da usare.

"Però, questi test attualmente mancano della sensibilità per rilevare livelli molto bassi di biomarcatori. Sostituendo le nanoparticelle d'oro comunemente usate con nanodiamanti fluorescenti in questo nuovo design, e modulando selettivamente la loro (già brillante) emissione di luce, siamo stati in grado di separare il loro segnale dalla fluorescenza di fondo indesiderata della striscia reattiva, migliorando notevolmente la sensibilità."

Il co-autore Professor John Morton, Direttore del Quantum Science and Technology Institute (UCLQ) di UCL, ha dichiarato:"Questa collaborazione interdisciplinare tra UCLQ e il team i-sense nella LCN è una fantastica illustrazione di come il lavoro fondamentale sui sistemi quantistici, come il centro NV in diamante, può evolvere dal laboratorio e svolgere un ruolo cruciale nelle applicazioni del mondo reale nel rilevamento e nella diagnostica. I ricercatori dell'UCLQ stanno esplorando e consentendo l'impatto di queste e altre tecnologie quantistiche lavorando con l'industria e altri gruppi di ricerca accademici".