Od COVID-19 po raka – nowy domowy test wykrywa choroby z zaskakującą precyzją
Masz ból gardła i katar? W ostatnich latach szybkie testy domowe ułatwiły sprawdzenie, czy to poważna infekcja jak COVID-19, czy tylko wiosenne alergie. Choć wygodne i szybkie, testy te mają mniejszą czułość niż te wykonywane w gabinecie lekarskim – co oznacza, że wynik może być fałszywie ujemny nawet przy rzeczywistym zakażeniu.
Rozwiązaniem może być nowa, niskokosztowa technologia biosensoryczna, która pozwala na wykrycie wirusów – takich jak SARS-CoV-2 – nawet 100 razy czulsze niż dostępne dotąd szybkie testy. Co więcej, nowa metoda może umożliwić błyskawiczne testowanie również w przypadku innych poważnych chorób, takich jak rak prostaty czy sepsa.
Test opracowany przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley łączy naturalny proces parowania cieczy zwany „efektem pierścienia kawowego” z techniką plazmoniki i sztuczną inteligencją, umożliwiając ultraszybkie wykrycie biomarkerów chorób z wyjątkową precyzją – w zaledwie kilka minut.
„To proste, a zarazem skuteczne rozwiązanie, które może zapewnić niezwykle dokładne wyniki w znacznie krótszym czasie niż tradycyjne metody diagnostyczne” – wyjaśnia dr Kamyar Behrouzi, który niedawno obronił doktorat z zakresu systemów mikroelektromechanicznych i nano-inżynierii na UC Berkeley. „Nasze badania otwierają drogę do tańszej i łatwiej dostępnej diagnostyki, zwłaszcza w regionach o ograniczonych zasobach.”
Projekt został wsparty funduszami startowymi CITRIS i Instytutu Banatao w UC Berkeley, a jego wyniki opisano w czasopiśmie Nature Communications.
Od plamy po kawie do szybkiej diagnostyki
Każdy, kto przyjrzał się bliżej plamie po kawie lub winie, zauważył, że jej brzeg jest znacznie ciemniejszy niż środek. To skutek zjawiska fizycznego zwanego efektem pierścienia kawowego: podczas parowania kropli cieczy cząsteczki zawieszone w niej – na przykład pigmenty – są transportowane ku obrzeżom, tworząc charakterystyczny ciemny pierścień.
W 2020 roku Behrouzi, pracując nad biosensorem do wykrywania COVID-19, zauważył, że krople jego eksperymentalnego roztworu pozostawiały właśnie takie pierścieniowe plamy. Zdał sobie sprawę, że zjawisko to można wykorzystać do koncentracji cząsteczek wirusa, co znacznie ułatwia ich wykrycie.
„Zrozumieliśmy, że możemy dzięki temu efektowi stworzyć coś znacznie lepszego niż początkowo planowaliśmy” – mówi Behrouzi.
Nanocząstki, światło i sztuczna inteligencja
Test wykorzystuje niewielkie cząsteczki – nanocząstki plazmoniczne – które oddziałują ze światłem w unikalny sposób. Do wykonania testu użytkownik nanosi kroplę materiału biologicznego (np. z wymazu z nosa lub jamy ustnej) na specjalną membranę. W czasie parowania, biomarkery choroby gromadzą się na obrzeżach kropli – tworząc „pierścień kawowy”. Następnie nanosi się drugą kroplę, zawierającą nanocząstki przystosowane do łączenia się z konkretnymi biomarkerami. Jeśli są one obecne, cząstki tworzą agregaty, które zmieniają sposób odbijania światła przez membranę. Zmiany te można zauważyć gołym okiem lub za pomocą aplikacji mobilnej opartej na AI.
Cały proces trwa mniej niż 12 minut, a czułość testu przy wykrywaniu COVID-19 jest aż 100 razy większa niż w przypadku tradycyjnych testów antygenowych.
„Jednym z kluczowych białek, które potrafimy wykryć, jest biomarker sepsy – groźnej reakcji zapalnej na infekcję bakteryjną, która może błyskawicznie rozwinąć się u osób po 50. roku życia” – podkreśla prof. Liwei Lin, współautor badania i profesor inżynierii mechanicznej na UC Berkeley. „Każda godzina ma tu znaczenie, a tradycyjne metody hodowli bakterii trwają kilka dni. Nasza metoda pozwala wykryć sepsę w 10–15 minut.”
Zespół badawczy opracował już prototyp zestawu domowego, przypominającego testy antygenowe, z elementami wydrukowanymi w 3D, które ułatwiają właściwe umieszczenie próbki i nanocząstek plazmonicznych.
„W czasie pandemii COVID-19 domowe testy dały nam wiedzę, czy jesteśmy zakażeni. Mam nadzieję, że nasza technologia umożliwi ludziom regularne badania – na przykład w kierunku raka prostaty – bez potrzeby wychodzenia z domu” – dodaje prof. Lin.
Współautorami pracy są również Zahra Khodabakhshi Fard, Chun-Ming Chen, Peisheng He oraz Megan Teng z UC Berkeley.
Źródło: Nature Communications
