Verwenden eines Smartphones zum Erkennen eines hoch ansteckenden Virus
Ein neues Gerät verwendet ein Smartphone und einen Mikrofluidik-Chip aus Papier, um extrem niedrige Norovirus-Werte zu erkennen.
Norovirus ist ein sehr ansteckendes Virus, das in den USA jährlich für etwa 19 bis 21 Millionen Fälle von akuter Gastroenteritis verantwortlich ist.
Tatsächlich ist das Norovirus in den USA „die häufigste Ursache für durch Lebensmittel verursachte Krankheiten“.
Norovirus ist auch für bis zu 1,9 Millionen Krankenhausbesuche und weitere 400.000 Besuche in der Notaufnahme verantwortlich. Dies kostet die USA rund 2 Milliarden US-Dollar an Gesundheitsausgaben und Verlust der Arbeitsproduktivität.
Das Virus kann in sehr geringen Mengen ansteckend sein, wobei nur 10 Viruspartikel ausreichen, um eine Infektion zu verursachen.
Forscher der University of Arizona (UA) in Tucson haben sich daher zum Ziel gesetzt, einen effizienten Weg zu finden, um selbst die kleinsten Viruskonzentrationen zu erkennen.
Drei Forscher leiteten das Projekt gemeinsam: Jeong-Yeol Yoon vom Department of Biomedical Engineering der UA; Soo Chung, Doktorand in Yoons Labor; und Kelly A. Reynolds, Vorsitzende der Abteilung für Gemeinschaft, Umwelt und Politik am Mel & Enid Zuckerman College für öffentliche Gesundheit an der UA.
Yoon präsentierte die Forschungsergebnisse auf dem National Meeting & Exposition der American Chemical Society im Herbst 2019 in San Diego, Kalifornien, und das Papier erscheint jetzt in der Zeitschrift ACS Omega.
Wie das billige und schnelle Gerät funktioniert
Das Virus kann sich sehr schnell im Wasser ausbreiten. Bestehende Geräte zum Nachweis von Noroviren erfordern ein Labor und eine Reihe von Mikroskopen, Lasern und teuren Spektrometern. Dies sind Instrumente, die Strahlungsarten und Wellenlängen messen.
Bei der neuen Methode verwendeten die Forscher einfache Materialien wie Papier und ein Smartphone. Chung erklärt, wie sich Papier in Mikrofluidik-Chips verwandeln kann.
„Papiersubstrat ist sehr billig und leicht zu lagern, und wir können diese Chips leicht herstellen“, sagt er. "Die faserige Struktur des Papiers ermöglicht es auch, dass Flüssigkeit spontan fließt, ohne die Pumpsysteme zu verwenden, die andere Chips, wie z. B. Siliziumchips, normalerweise benötigen."
In der Regel messen Wissenschaftler mithilfe der Spektrometrieanalyse, wie Licht in einer Probe reflektiert wird. Der inhomogene (poröse) Aspekt von Papier kann jedoch zusammen mit seiner optischen Opazität "Hintergrundstreuung und Reflexion" erzeugen.
Um dieses Hindernis zu überwinden, entwickelten die Forscher eine Methode, bei der sie fluoreszierende Perlen zählten, anstatt die Lichtintensität zu messen.
Das Verfahren besteht aus der Zugabe von Wasser an einem Ende eines mikrofluidischen Papierchips und Perlen aus fluoreszierendem Polystyrol am anderen Ende.
Jede dieser winzigen Perlen ist an einen Antikörper gebunden, der das Virus bekämpft. Wenn Norovirus im Wasser vorhanden ist, greifen mehrere Antikörper es an, binden sich an das Viruspartikel und bilden einen fluoreszierenden Klumpen.
„Norovirus-Partikel sind zu klein, um von einem Smartphone-Mikroskop abgebildet zu werden, ebenso wie Antikörper“, erklärt Yoon. "Aber wenn zwei oder drei oder mehr dieser Perlen miteinander verbunden sind, bedeutet dies, dass das Norovirus vorhanden ist und die Perlen aggregieren."
Die Perlenklumpen sind groß genug, damit ein Smartphone sie aufheben und fotografieren kann. Die Forscher erstellten auch eine Smartphone-App, die die Norovirus-Partikel in der Probe zählt.
"Sie müssen kein Wissenschaftler oder Ingenieur sein, um das Gerät zu betreiben", sagt Yoon. "Die Analyse wird automatisch von der Smartphone-App durchgeführt. Sie müssen sich also nur um das Laden einer Wasserprobe auf den Chip kümmern."
Das Gerät ist auch billig, wobei seine teuerste Komponente weniger als 50 US-Dollar kostet.
„Fortschritte bei der raschen Überwachung menschlicher Viren im Wasser sind für den Schutz der öffentlichen Gesundheit von entscheidender Bedeutung“, sagt Reynolds.
"Diese schnelle und kostengünstige Technologie zur Überwachung der Wasserqualität könnte ein Transformationsinstrument sein, um sowohl lokale als auch globale Krankheitsbelastungen zu reduzieren."
Kelly A. Reynolds
