Портативный тест обнаруживает инфекции по одной капле крови за 15 минут
Исследователи из Университета штата Аризона разработали революционный диагностический инструмент, который может кардинально изменить подход к быстрому и надежному выявлению таких заболеваний, как COVID-19, Эбола, СПИД или болезнь Лайма. Для теста требуется всего одна капля крови, он стоит пару долларов и выдает результат всего за 15 минут.
В новом исследовании учёные показывают, что тест может с высокой точностью обнаружить вирус, вызывающий COVID-19, чётко отличая его от других инфекций. Исследование опубликовано в журнале ACS Nano .
Новое диагностическое устройство NasRED (Nanoparticle-Supported Rapid Electronic Detection – быстрое электронное обнаружение с поддержкой наночастиц) достаточно простое и портативное, чтобы его можно было использовать практически где угодно – от отдаленных сельских клиник до загруженных городских больниц. Прибор обеспечивает лабораторную точность без дорогостоящего оборудования и не требует специальной подготовки, что может стать переломным моментом в сфере общественного здравоохранения.
«Мы предлагаем быстрый и простой в использовании экспресс-тест на антиген, чувствительность которого даже выше, чем у лабораторных тестов», — говорит Чао Ван, ведущий автор нового исследования. «Этого очень сложно достичь».
Ван — доцент Центра биодизайна, молекулярного дизайна и биомиметики и Школы электротехники, вычислительной техники и энергетики Университета штата Аризона.
Остановка распространения инфекционных заболеваний
Инфекционные заболевания – одна из самых смертоносных угроз человечеству, вызывающая огромные страдания и экономический ущерб во всем мире. В совокупности инфекционные заболевания ежегодно становятся причиной более 10 миллионов смертей во всем мире и являются основной причиной смерти в странах с низким уровнем дохода.
Согласно исследованию, опубликованному в журнале BMJ Quality & Safety , ежегодно около 800 000 американцев умирают или остаются инвалидами из-за диагностических ошибок. Многие из этих случаев связаны с инфекциями или сосудистыми заболеваниями, которые можно было бы вылечить, если бы они были выявлены на ранней стадии.
Во многих странах с низким и средним уровнем дохода доступ к надёжным диагностическим тестам ограничен или отсутствует вовсе. Дороговизна оборудования, нехватка квалифицированного персонала и длительные сроки выполнения тестов приводят к запоздалой или ошибочной диагностике, часто с фатальными последствиями.
Быстрый, доступный и портативный тест, такой как NasRED, позволит медицинским работникам на передовой во всем мире выявлять инфекции на ранней стадии и принимать меры до того, как вспышки выйдут из-под контроля.
«Во многих частях мира, включая США, болезни распространяются, но люди часто не проходят тестирование, даже на ВИЧ. В идеале было бы желательно делать это регулярно, чтобы выявлять инфекции на ранней стадии», — говорит Ван.
«Например, люди, употребляющие инъекционные наркотики, подвержены более высокому риску заражения ВИЧ или вирусом гепатита С, но они могут жить на улице и с ними трудно связаться. Если мы не будем регулярно их тестировать, мы можем упустить возможность вмешательства — до тех пор, пока у них не разовьются серьёзные осложнения, такие как рак или заболевание печени, которые будет гораздо сложнее лечить».
Играть
00:00
01:14
Немой
Настройки
ПИП
Перейти в полноэкранный режим
Играть
Новый мощный инструмент, использующий лишь крошечный образец крови, позволяет диагностировать ряд заболеваний быстрее, дешевле и точнее, чем существующие методы. Источник: Институт биодизайна Университета штата Аризона.
Яркое диагностическое золото
В основе нового теста лежат крошечные золотые наночастицы, разработанные для обнаружения мельчайших количеств белков, связанных с заболеваниями. Исследователи покрывают эти наночастицы специальными молекулами, предназначенными для выявления конкретных заболеваний.
Некоторые наночастицы несут антитела – крошечные молекулы, действующие подобно магнитам. Антитела прикрепляются к белкам, выделяемым вирусами или бактериями при заражении организма. Другие наночастицы несут антигены – фрагменты белков, взятые непосредственно у вирусов или бактерий. Они естественным образом притягивают антитела, вырабатываемые организмом для борьбы с инфекциями.
После нанесения покрытия эти наночастицы смешиваются с мельчайшим образцом биологической жидкости, например, каплей крови, слюны или носовой жидкости. При наличии заболевания большинство наночастиц оседают на дно пробирки. При отсутствии заболевания они остаются взвешенными в жидкости.
Устройство NasRED пропускает небольшой луч светодиодного света через жидкость в верхней части пробирки. Команда разработала специальный электронный детектор, который измеряет количество света, проходящего через пробирку. Чем больше света, тем больше наночастиц опустилось на дно, и верхняя часть жидкости стала более прозрачной, что свидетельствует о наличии заболевания.
Точный, доступный и недорогой
Устройство настолько чувствительно, что может обнаружить заболевание, даже если в крошечном образце жидкости — всего лишь доле капли — присутствуют всего несколько сотен молекул. Эта концентрация почти в 100 000 раз ниже, чем требуется для стандартных лабораторных тестов.
Портативность и доступность NasRED дополняют его потенциал. Современные «золотые» стандарты тестирования, такие как ПЦР или ИФА, требуют дорогостоящего оборудования и квалифицированных специалистов. NasRED компактен и удобен в использовании. Исследователи оценивают стоимость одного теста в 2 доллара, что делает его идеальным для использования в условиях ограниченных ресурсов или в удаленных районах.
NasRED может заполнить критически важный пробел в диагностике, особенно в отношении заболеваний, трудно поддающихся раннему выявлению, таких как гепатит C, ВИЧ или болезнь Лайма. Он также перспективен для диагностики новых вспышек заболеваний с низкой распространенностью, но высоким риском.
Такие заболевания часто остаются недиагностированными, поскольку проведение лабораторного анализа только для одного или двух пациентов экономически невыгодно. NasRED устраняет этот пробел, предлагая высокочувствительный тест, который можно получить немедленно и недорого прямо на месте оказания медицинской помощи.
Хотя в настоящее время NasRED требует небольших настольных устройств для вращения и смешивания образцов, исследователи работают над дальнейшей миниатюризацией и автоматизацией процесса. При дальнейшем развитии технология может однажды стать удобным домашним тестом, аналогичным существующим экспресс-тестам на COVID-19. При этом она будет обладать значительно более высокой чувствительностью и более широким спектром применения.
Значительный шаг вперед в диагностике
NasRED значительно превосходит существующие стандарты диагностики. Новое исследование показывает, что NasRED примерно в 3000 раз чувствительнее ИФА, требует в 16 раз меньшего объёма образца и позволяет получить результаты примерно в 30 раз быстрее.
Более ранняя версия технологии позволяла обнаружить Эболу даже в крошечном образце крови. «В новой технологии мы снизили чувствительность до аттомолярного диапазона», — говорит Ван. Это всё равно, что обнаружить одну каплю чернил в 20 олимпийских бассейнах.
Эта технология обещает возможность выявления вирусной нагрузки непосредственно в биологических жидкостях без сложной подготовки образцов, как в методах ПЦР. В предварительных испытаниях с реальными частицами коронавируса NasRED достиг чувствительности, сопоставимой с Abbott ID NOW, популярным молекулярным тестом для многих заболеваний, таких как COVID-19.
«Одно из преимуществ нашего сенсора заключается в его высокой модульности», — говорит Ван. «Наночастицы разработаны таким образом, что мы можем легко заменять разные белки, что позволяет адаптировать одну и ту же платформу для лечения множества различных заболеваний. Мы уже продемонстрировали этот подход в наших исследованиях на кишечной палочке, продуцирующей шига-токсин, а также на биомаркерах рака, белках, связанных с болезнью Альцгеймера, болезнью Лайма и африканской чумой свиней».
Недавно Ван получил премию «Emerging Leader Award» от Bay Area Lyme Foundation и будет использовать высокую чувствительность и портативность этой новой технологии для раннего выявления инфекции Лайма.
По мере развития этой технологии спектр её применения может выйти за рамки борьбы с инфекционными заболеваниями. Раннее выявление рака, мониторинг хронических заболеваний в режиме реального времени и улучшенный надзор за угрозами общественному здоровью — всё это уже в пределах досягаемости.