Von Corona bis Krebs: Neuer Schnelltest für zu Hause erkennt Krankheiten mit verblüffender Genauigkeit
Eine neue Technologie nutzt den "Kaffeering-Effekt", gepaart mit Plasmonik und KI, für eine schnelle Diagnose
Haben Sie Halsschmerzen und Schnupfen? Seit kurzem gibt es immer mehr Schnelltests für den Hausgebrauch, mit denen sich leichter feststellen lässt, ob Sie an einer schweren Krankheit wie Covid-19 oder nur an einer Frühlingsallergie leiden. Diese Schnelltests sind zwar schnell und bequem, aber sie sind weniger empfindlich als die Tests in der Arztpraxis, d. h. der Test kann auch dann noch negativ sein, wenn Sie infiziert sind. Eine Lösung könnte eine neue, kostengünstige Biosensortechnologie sein, die Schnelltests für den Hausgebrauch bis zu 100 Mal empfindlicher für Viren wie COVID-19 machen könnte. Die Diagnostik könnte das schnelle Screening auch auf andere lebensbedrohliche Krankheiten wie Prostatakrebs und Sepsis ausweiten. Der von Forschern der University of California, Berkeley, entwickelte Test kombiniert einen natürlichen Verdampfungsprozess, den so genannten "Kaffeering-Effekt", mit Plasmonik und künstlicher Intelligenz, um Biomarker von Krankheiten mit bemerkenswerter Präzision in nur wenigen Minuten zu erkennen.
Wenn ein Flüssigkeitstropfen verdunstet, wandern die darin enthaltenen Partikel auf natürliche Weise zum Rand des Tropfens und hinterlassen ein "Kaffeering"-Muster, wenn die Flüssigkeit vollständig getrocknet ist. Die Ingenieure der UC Berkeley nutzten dieses natürliche Phänomen, um die Empfindlichkeit von Diagnosetests zu erhöhen, indem sie die Biomarker von Krankheiten in einem Ringmuster vorkonzentrierten. Diese Abbildung zeigt einen Ring aus Krankheits-Biomarkern (in Lila), der mit einem Flüssigkeitstropfen interagiert, der plasmonische Nanopartikel enthält. Diese plasmonischen Nanopartikel binden sich an die Krankheits-Biomarker und erzeugen Lichtmuster, die mit Hilfe einer KI-gesteuerten Smartphone-App erkannt werden können.
Megan Teng/UC Berkeley
"Diese einfache, aber wirksame Technik kann im Vergleich zu herkömmlichen Diagnosemethoden hochpräzise Ergebnisse in einem Bruchteil der Zeit liefern", so Kamyar Behrouzi, der vor kurzem an der UC Berkeley im Bereich mikroelektromechanische Systeme und Nanoengineering promoviert hat. "Unsere Arbeit ebnet den Weg für erschwinglichere, leichter zugängliche Diagnosen, insbesondere in ressourcenarmen Gebieten. Die Technologie wurde mit Unterstützung des CITRIS- und Banatao-Instituts der UC Berkeley entwickelt und in einer kürzlich in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Studie beschrieben.
Kombination von Kaffeeringen und Nanopartikeln
Wenn Sie sich einen Kaffee- oder Weinfleck genau ansehen, werden Sie feststellen, dass die Umrisse des Flecks viel dunkler sind als das Innere. Dies ist auf ein physikalisches Phänomen zurückzuführen, das als Kaffeering-Effekt bezeichnet wird: Wenn ein Flüssigkeitstropfen verdampft, entsteht eine Strömung, die Schwebeteilchen an den Rand des Tropfens drückt. Wenn die Partikel pigmentiert sind, wie es bei Kaffee und Wein der Fall ist, ist der entstehende Fleck am Rand dunkler als in der Mitte.
Im Jahr 2020 entwickelte Behrouzi einen Biosensor zum Nachweis von COVID-19, als er bemerkte, dass die Tropfen seiner Versuchslösung beim Trocknen ringförmige Flecken hinterließen. Er erkannte, dass dieser Ring-Effekt genutzt werden könnte, um die Partikel des COVID-19-Virus zu konzentrieren und sie so möglicherweise leichter nachweisen zu können. "Wir haben herausgefunden, dass wir diesen Kaffeering-Effekt nutzen können, um etwas zu entwickeln, das noch besser ist als das, was wir ursprünglich vorhatten", sagte Behrouzi.
Die Schnelltesttechnologie verwendet winzige Partikel, so genannte plasmonische Nanopartikel, die auf einzigartige Weise mit Licht interagieren. Um den Test durchzuführen, gibt der Anwender zunächst einen Flüssigkeitstropfen mit krankheitsrelevanten Proteinen - beispielsweise von einem Wangen- oder Nasenabstrich - auf eine Membran. Wenn das Tröpfchen trocknet, konzentriert es alle Krankheits-Biomarker am Kaffeering. Der Benutzer fügt dann ein zweites Tröpfchen hinzu, das plasmonische Nanopartikel enthält, die so entwickelt wurden, dass sie an den Krankheits-Biomarkern haften. Wenn die Biomarker vorhanden sind, lagern sich die Nanopartikel in bestimmten Mustern an, die die Wechselwirkung des Lichts mit der Membran verändern. Diese Veränderung kann mit dem Auge oder mit einer KI-gesteuerten Smartphone-App erkannt werden. Die Technologie liefert Ergebnisse in weniger als 12 Minuten und ist beim Nachweis von COVID-19 100-mal empfindlicher als vergleichbare Tests.
"Eines der Schlüsselproteine, die wir mit dieser Methode nachweisen können, ist ein Biomarker für Sepsis, eine lebensbedrohliche Entzündungsreaktion auf eine bakterielle Infektion, die sich bei Menschen über 50 schnell entwickeln kann", sagte der Hauptautor der Studie, Liwei Lin, ein Distinguished Professor für Maschinenbau an der UC Berkeley. "Jede Stunde ist entscheidend, aber die Kultivierung von Bakterien, um die Quelle der Infektion zu bestimmen, kann einige Tage dauern. Unsere Technik könnte Ärzten helfen, eine Sepsis innerhalb von 10 bis 15 Minuten zu erkennen".
Die Forscher haben einen Prototyp eines Testkits für den Hausgebrauch entwickelt, der ähnlich wie die COVID-Testkits für den Hausgebrauch aus 3D-gedruckten Komponenten besteht, um die Platzierung der Probe und der plasmonischen Tröpfchen zu erleichtern.
"Während der COVID-19-Pandemie waren wir auf Heimtests angewiesen, um zu wissen, ob wir infiziert waren oder nicht", sagte Lin. "Ich hoffe, dass unsere Technologie es den Menschen einfacher und zugänglicher macht, sich regelmäßig auf Krankheiten wie Prostatakrebs untersuchen zu lassen, ohne das Haus zu verlassen."
Weitere Koautoren der Studie sind Zahra Khodabakhshi Fard, Chun-Ming Chen, Peisheng He und Megan Teng von der UC Berkeley.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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