Der Kaffeemittel-Effekt inspiriert einen Durchbruch bei schnellen Tests zu Hause zur Erkennung von Krankheiten

Hast du Halsschmerzen und die Schnüffel? Der jüngste Anstieg schneller zu Hause-Tests hat es leichter gemacht, herauszufinden, ob Sie eine schwere Krankheit wie Covid-19 oder nur eine Hauch von Frühlingsallergien haben.

Obwohl schnell und bequem, sind diese Tests zu Hause weniger empfindlich als die in der Arztpraxis erhältlich, was bedeutet, dass Sie möglicherweise noch negativ testen, selbst wenn Sie infiziert sind.

Eine Lösung kann in Form einer neuen, kostengünstigen Biosensing-Technologie erfolgen, die schnelle Tests zu Hause bis zu 100-mal empfindlicher für Viren wie Covid-19 machen könnte. Die Diagnose könnte das schnelle Screening auf andere lebensbedrohliche Erkrankungen wie Prostatakrebs und Sepsis erweitern.

Der von Forschern an der University of California in Berkeley erstellte Test kombiniert einen natürlichen Verdampfungsprozess, der als „Kaffee-Effekt“ mit Plasmonik und KI bezeichnet wird, um in nur wenigen Minuten Biomarker für Krankheiten mit bemerkenswerter Präzision zu erkennen.

„Diese einfache, aber effektive Technik kann im Vergleich zu herkömmlichen diagnostischen Methoden sehr genaue Ergebnisse in einem Bruchteil der Zeit bieten“, sagte Kamyar Behro, der kürzlich einen Doktortitel abgeschlossen hat. in mikroelektromechanischen Systemen und Nanoengineering bei UC Berkeley. „Unsere Arbeit ebnet den Weg für erschwinglichere, zugängliche Diagnostika, insbesondere in Umgebungen mit niedrigem Ressourcen.“

Die Technologie wurde mit Unterstützung der Saatgutfinanzierung des Citris- und Banatao -Instituts der UC Berkeley entwickelt und wird in einer kürzlich in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Studie beschrieben.

Kombinieren von Kaffeeringen und Nanopartikeln

Schauen Sie sich einen Kaffee- oder Weinfleck genau an, und Sie können feststellen, dass der Umriss des Flecks viel dunkler ist als das Innenraum. Dies ist auf ein physikalisches Phänomen zurückzuführen, das als Kaffee-Ring-Effekt bezeichnet wird: Als ein Tröpfchen von flüssigem Verdampfung erzeugt es einen Fluss, der schwebende Partikel zur Kante des Tröpfchens drückt. Wenn die Partikel pigmentiert sind, da sie sich in Kaffee und Wein befinden, ist der resultierende Fleck um den Rand dunkler als in der Mitte.

Im Jahr 2020 entwickelte Behruzi einen Biosensor zum Nachweis von Covid-19, als er bemerkte, dass Tröpfchen seiner experimentellen Lösung ringförmige Flecken hinterließen, als sie trocknen. Er erkannte, dass dieser Kaffee-Effekt verwendet werden konnte, um die Partikel des Covid-19-Virus leicht zu konzentrieren, was möglicherweise leichter zu erkennen ist.

„Wir haben herausgefunden, dass wir diesen Kaffee-Effekt verwenden könnten, um etwas noch Besseres aufzubauen, als wir uns zunächst vorgestellt haben“, sagte Behrouzi.

Die schnelle Testtechnologie verwendet winzige Partikel, die als plasmonische Nanopartikel bezeichnet werden und auf einzigartige Weise mit Licht interagieren. Um den Test durchzuführen, fügt ein Benutzer zunächst einen Tröpfchen Flüssigkeit hinzu, der krankheitsrelevante Proteine – wie von einer Wange oder einem Nasenabstrich – zu einer Membran enthält. Während das Tröpfchen trocknet, konzentriert es alle Krankheitsbiomarker am Kaffeemittel. Der Benutzer fügt dann ein zweites Tröpfchen hinzu, das plasmonische Nanopartikel enthält, die so konstruiert wurden, dass sie sich an die Krankheitsbiomarker halten. Wenn die Biomarker vorhanden sind, werden die Nanopartikel in bestimmten Mustern aggregieren, die die Wechselwirkung des Lichts mit der Membran ändern. Diese Änderung kann durch Auge oder mit einer AI-angetriebenen Smartphone-App erkannt werden.

Die Technologie liefert weniger als 12 Minuten und ist 100-mal empfindlicher, um Covid-19 zu erkennen als äquivalente Tests.

Eines der wichtigsten Proteine, die wir mit dieser Methode nachweisen können, ist ein Biomarker für Sepsis, eine lebensbedrohliche entzündliche Reaktion auf eine bakterielle Infektion, die sich bei Menschen über 50 Menschen schnell entwickeln kann. Jede Stunde ist kritisch, aber die Kultivierung der Bakterien, um die Quelle der Infektion zu bestimmen, kann einige Tage dauern. Unsere Technik könnte Ärzten helfen, Sepsis in 10 bis 15 Minuten zu erkennen. „

Liweii Lin, Senior Autor von Studie, angesehener Professor für Maschinenbau bei der UC Berkeley

Die Forscher haben einen Prototyp eines Home-Test-Kits erstellt, ähnlich wie Covid-Testkits zu Hause, das 3D-gedruckte Komponenten umfasst, um die Platzierung der Probe- und plasmonischen Tröpfchen zu leiten.

„Während der Covid-19-Pandemie haben wir uns auf Tests zu Hause verlassen, um zu wissen, ob wir infiziert waren oder nicht“, sagte Lin. „Ich hoffe, dass unsere Technologie es für Menschen einfacher und zugänglicher macht, regelmäßig nach Bedingungen wie Prostatakrebs zu prüfen, ohne das Haus zu verlassen.“

Weitere Mitautoren der Studie sind Zahra Khodabakhshi Fard, Chun-Ming Chen, Peideng er und Megan Teng von UC Berkeley.

Quellen: