As habilidades de detecção quântica de nanodiamantes podem ser usadas para melhorar a sensibilidade dos testes de diagnóstico baseados em papel, potencialmente permitindo a detecção precoce de doenças como o HIV, de acordo com um estudo liderado por pesquisadores da UCL no grupo i-sense McKendry.

Os testes de fluxo lateral baseados em papel funcionam da mesma forma que um teste de gravidez, em que uma tira de papel é embebida em uma amostra de fluido e uma mudança na cor - ou sinal fluorescente - indica um resultado positivo e a detecção de proteínas de vírus ou DNA. Eles são amplamente usados ​​para detectar vírus que variam de HIV a SARS-CoV-2 (testes de fluxo lateral para Covid-19 estão sendo testados em toda a Inglaterra) e podem fornecer um diagnóstico rápido, já que os resultados não precisam ser processados ​​em um laboratório.

A nova pesquisa, publicado em Natureza , descobriram que nanodiamantes de baixo custo poderiam ser usados ​​para sinalizar a presença de um marcador de doença do HIV com uma sensibilidade muitos milhares de vezes maior do que as nanopartículas de ouro amplamente utilizadas nesses testes.

Essa maior sensibilidade permite que cargas virais mais baixas sejam detectadas, o que significa que o teste pode detectar níveis mais baixos de doença ou detectar a doença em um estágio anterior, que é crucial para reduzir o risco de transmissão de indivíduos infectados e para o tratamento eficaz de doenças como o HIV.

A equipe de pesquisa está trabalhando na adaptação da nova tecnologia para testar o COVID-19 e outras doenças nos próximos meses. Uma próxima etapa importante é desenvolver um dispositivo portátil que possa "ler" os resultados, como a técnica foi demonstrada usando um microscópio em um laboratório. Outros estudos de avaliação clínica também estão planejados.

A autora principal, Professora Rachel McKendry, Professor de Nanotecnologia Biomédica na UCL e Diretor do i-sense EPSRC IRC, disse:"Nosso estudo de prova de conceito mostra como as tecnologias quânticas podem ser usadas para detectar níveis ultrabaixo de vírus em uma amostra de paciente, permitindo um diagnóstico muito mais precoce.

“Temos nos concentrado na detecção do HIV, mas nossa abordagem é muito flexível e pode ser facilmente adaptada a outras doenças e tipos de biomarcadores. Estamos trabalhando para adaptar nossa abordagem ao COVID-19. Acreditamos que esta nova tecnologia transformadora irá beneficiar os pacientes e proteger as populações de doenças infecciosas. "

Os pesquisadores usaram as propriedades quânticas dos nanodiamantes fabricados com uma imperfeição precisa. Este defeito na estrutura altamente regular de um diamante cria o que é chamado de centro de vacância de nitrogênio (NV). Os centros NV têm muitas aplicações potenciais, de biomarcação fluorescente para uso em imagens ultra-sensíveis a qubits de processamento de informações em computação quântica.

Os centros NV podem sinalizar a presença de um antígeno ou outra molécula alvo, emitindo uma luz fluorescente brilhante. No passado, marcadores fluorescentes foram limitados pela fluorescência de fundo, tanto da amostra quanto da tira de teste, tornando mais difícil detectar baixas concentrações de proteínas de vírus ou DNA que indicariam um teste positivo. Contudo, as propriedades quânticas dos nanodiamantes fluorescentes permitem que sua emissão seja modulada seletivamente, o que significa que o sinal pode ser fixado em uma frequência definida usando um campo de micro-ondas e pode ser eficientemente separado da fluorescência de fundo, abordando esta limitação.

Os resultados ópticos mostraram até cinco ordens de magnitude (100, 000 vezes) melhora na sensibilidade em comparação com nanopartículas de ouro (ou seja, um número muito menor de nanopartículas foi necessário para gerar um sinal detectável). Com a inclusão de uma curta etapa de amplificação de temperatura constante de 10 minutos, em que as cópias do RNA foram multiplicadas, os pesquisadores foram capazes de detectar o RNA do HIV no nível de uma única molécula em uma amostra modelo.

O trabalho foi demonstrado em laboratório, mas a equipe espera desenvolver os testes para que os resultados possam ser lidos em um smartphone ou leitor de fluorescência portátil. Isso significa que o teste pode, no futuro, ser realizado em configurações de poucos recursos, tornando-o mais acessível aos usuários.

O primeiro autor, Dr. Ben Miller (i-sense Postdoctoral Research Associate no London Centre for Nanotechnology at UCL) disse:"Os testes de fluxo lateral baseados em papel com nanopartículas de ouro não requerem análise de laboratório, tornando-os particularmente úteis em locais com poucos recursos e onde o acesso aos cuidados de saúde é limitado. Eles são de baixo custo, portátil, e amigável.

"Contudo, esses testes atualmente carecem de sensibilidade para detectar níveis muito baixos de biomarcadores. Ao substituir as nanopartículas de ouro comumente usadas por nanodiamantes fluorescentes neste novo design, e seletivamente modulando sua (já brilhante) emissão de luz, conseguimos separar seu sinal da indesejável fluorescência de fundo da tira de teste, melhorando dramaticamente a sensibilidade. "

Professor co-autor John Morton, Diretor do Quantum Science and Technology Institute (UCLQ) da UCL, disse:"Esta colaboração interdisciplinar entre a UCLQ e a equipe i-sense no LCN é uma ilustração fantástica de como o trabalho fundamental em sistemas quânticos, como centro NV em diamante, pode evoluir do laboratório e desempenhar um papel crucial em aplicações do mundo real em detecção e diagnóstico. Os pesquisadores da UCLQ estão explorando e possibilitando o impacto dessas e de outras tecnologias quânticas, trabalhando com a indústria e outros grupos de pesquisa acadêmica. "