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 University College London (UCL) en el grupo i-sense McKendry.
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.
Una 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 en la adaptación de 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, como se demostró la técnica 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 UCL y directora de i-sense EPSRC IRC, dijo: "Nuestro estudio de prueba de concepto muestra cómo las tecnologías cuánticas se pueden utilizar 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 puede adaptarse fácilmente a otras enfermedades y tipos de biomarcadores. Estamos trabajando para adaptar nuestro enfoque al COVID-19. Creemos que esta nueva tecnología transformadora beneficiará a los pacientes y proteger 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 vacante (NV). Los centros NV tienen muchas aplicaciones potenciales, desde biomarcadores fluorescentes para su uso en imágenes ultrasensibles hasta qubits de procesamiento de información en computación cuántica.
Los centros 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 virales 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 atención médica es limitado, 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 sus 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 habilitando el impacto de estas y otras tecnologías cuánticas trabajando con la industria y otros grupos de investigación académicos".
Más información: Benjamin S. Miller et al, Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2917-1
Nota original: University College London