Los nanodiamantes cuánticos pueden ayudar a detectar enfermedades antes: las capacidades de detección cuántica de los nanodiamantes se pueden utilizar para mejorar la sensibilidad de las pruebas de diagnóstico en papel, lo que podría permitir la detección más temprana de enfermedades como el VIH, según un estudio dirigido por UCL Research

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La concepción de un artista de los nanodiamantes utilizados para el diagnóstico in vitro. CRÉDITO
Estudio Ella Maru / UCL

Abstracto:
Las capacidades de detección cuántica de los nanodiamantes se pueden utilizar para mejorar la sensibilidad de las pruebas de diagnóstico en papel, lo que podría permitir la detección más temprana de enfermedades como el VIH, según un estudio dirigido por investigadores de la UCL en el grupo i-sense McKendry.

Los nanodiamantes cuánticos pueden ayudar a detectar enfermedades antes: las capacidades de detección cuántica de los nanodiamantes se pueden utilizar para mejorar la sensibilidad de las pruebas de diagnóstico en papel, lo que podría permitir la detección más temprana de enfermedades como el VIH, según un estudio dirigido por la investigación de UCL

Londres, Reino Unido | Publicado el 27 de noviembre de 2020

Las pruebas de flujo lateral basadas en papel funcionan de la misma manera que una prueba de embarazo, ya que se empapa una tira de papel en una muestra de líquido y un cambio de color, o señal fluorescente, indica un resultado positivo y la detección de proteínas virales o ADN. Se utilizan ampliamente para detectar virus que van desde el VIH hasta el SARS-CoV-2 (las pruebas de flujo lateral para Covid-19 se están probando actualmente en Inglaterra) y pueden proporcionar un diagnóstico rápido, ya que los resultados no tienen que procesarse en un laboratorio. .

La nueva investigación, publicada en Nature, encontró que los nanodiamantes de bajo costo podrían usarse para señalar la presencia de un marcador de la enfermedad del VIH con una sensibilidad muchos miles de veces mayor que las nanopartículas de oro ampliamente utilizadas en estas pruebas.

Esta mayor sensibilidad permite detectar cargas virales más bajas, lo que significa que la prueba podría detectar niveles más bajos de enfermedad o detectar la enfermedad en una etapa más temprana, lo cual es crucial para reducir el riesgo de transmisión de las personas infectadas y para el tratamiento eficaz de enfermedades como el VIH.

El equipo de investigación está trabajando para adaptar la nueva tecnología para realizar pruebas de COVID-19 y otras enfermedades en los próximos meses. Un siguiente paso clave es desarrollar un dispositivo portátil que pueda "leer" los resultados, ya que la técnica se demostró utilizando un microscopio en un laboratorio. También se planean más estudios de evaluación clínica.

La autora principal, la profesora Rachel McKendry, profesora de nanotecnología biomédica en la UCL y directora de i-sense EPSRC IRC, dijo: “Nuestro estudio de prueba de concepto muestra cómo se pueden utilizar las tecnologías cuánticas para detectar niveles ultrabajos de virus en una muestra de paciente, lo que permite diagnóstico mucho más temprano.

“Nos hemos centrado en la detección del VIH, pero nuestro enfoque es muy flexible y se puede adaptar fácilmente a otras enfermedades y tipos de biomarcadores. Estamos trabajando para adaptar nuestro enfoque a COVID-19. Creemos que esta nueva tecnología transformadora beneficiará a los pacientes y protegerá a las poblaciones de enfermedades infecciosas ".

Los investigadores hicieron uso de las propiedades cuánticas de los nanodiamantes fabricados con una imperfección precisa. Este defecto en la estructura altamente regular de un diamante crea lo que se llama un centro de nitrógeno vacío (NV). Los centros NV tienen muchas aplicaciones potenciales, desde biomarcado fluorescente para su uso en imágenes ultrasensibles hasta qubits de procesamiento de información en computación cuántica.

Los centros de NV pueden señalar la presencia de un antígeno u otra molécula diana emitiendo una luz fluorescente brillante. En el pasado, los marcadores fluorescentes estaban limitados por la fluorescencia de fondo, ya sea de la muestra o de la tira reactiva, lo que dificultaba la detección de concentraciones bajas de proteínas víricas o ADN que indicarían una prueba positiva. Sin embargo, las propiedades cuánticas de los nanodiamantes fluorescentes permiten que su emisión se module de forma selectiva, lo que significa que la señal se puede fijar a una frecuencia determinada utilizando un campo de microondas y se puede separar de forma eficiente de la fluorescencia de fondo, abordando esta limitación.

Los resultados ópticos mostraron una mejora de hasta cinco órdenes de magnitud (100,000 veces) en la sensibilidad en comparación con las nanopartículas de oro (es decir, se requirió un número mucho menor de nanopartículas para generar una señal detectable). Con la inclusión de un breve paso de amplificación a temperatura constante de 10 minutos, en el que se multiplicaron las copias del ARN, los investigadores pudieron detectar el ARN del VIH al nivel de una sola molécula en una muestra modelo.

El trabajo se demostró en un entorno de laboratorio, pero el equipo espera desarrollar las pruebas para que los resultados puedan leerse con un teléfono inteligente o un lector de fluorescencia portátil. Esto significa que la prueba podría, en el futuro, realizarse en entornos de bajos recursos, haciéndola más accesible para los usuarios.

El primer autor, el Dr. Ben Miller (i-sense Postdoctoral Research Associate en el London Centre for Nanotechnology en UCL) dijo: “Las pruebas de flujo lateral en papel con nanopartículas de oro no requieren análisis de laboratorio, lo que las hace particularmente útiles en entornos de bajos recursos y donde el acceso a la asistencia sanitaria es limitada. Son de bajo costo, portátiles y fáciles de usar.

“Sin embargo, estas pruebas actualmente carecen de la sensibilidad para detectar niveles muy bajos de biomarcadores. Al reemplazar las nanopartículas de oro de uso común con nanodiamantes fluorescentes en este nuevo diseño y modular selectivamente su (ya brillante) emisión de luz, hemos podido separar su señal de la fluorescencia de fondo no deseada de la tira reactiva, mejorando drásticamente la sensibilidad ".

El coautor, el profesor John Morton, director del Instituto de Ciencia y Tecnología Cuántica (UCLQ) de UCL, dijo: “Esta colaboración interdisciplinaria entre UCLQ y el equipo i-sense en LCN es una ilustración fantástica de cómo el trabajo fundamental en sistemas cuánticos, como NV centrado en diamante, puede evolucionar desde el laboratorio y desempeñar un papel crucial en aplicaciones del mundo real en detección y diagnóstico. Los investigadores de UCLQ están explorando y posibilitando el impacto de estas y otras tecnologías cuánticas trabajando con la industria y otros grupos de investigación académicos ”.

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El estudio fue realizado por un equipo interdisciplinario de investigadores de i-sense de UCL, UCLH y la Universidad de Oxford, dirigido por el Centro de Nanotecnología de Londres en UCL. i-sense es una Colaboración de Investigación Interdisciplinaria (IRC) financiada por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido (EPSRC).

Este trabajo fue financiado por el EPSRC del Reino Unido, Royal Society, London Centre for Nanotechnology, H2020 European Research Council, UCLH NHS Foundation Trust y apoyado por el National Institute for Health Research University College London Hospitals Biomedical Research Centre.

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