Van COVID tot kanker: nieuwe thuistest detecteert ziekten met verbazingwekkende nauwkeurigheid

Keelpijn en een verstopte neus? Dankzij de komst van snelle thuistesten is het gemakkelijk om te bepalen of u een ernstige ziekte zoals COVID-19 hebt, of gewoon een lenteallergie. Maar ondanks hun snelheid en gemak zijn deze tests minder gevoelig dan die welke in klinieken worden gebruikt. Dit betekent dat de uitslag negatief kan zijn, zelfs als de persoon besmet is.

De oplossing zou een nieuwe, goedkope biosensortechnologie kunnen zijn die snelle thuistests honderd keer gevoeliger zou kunnen maken voor virussen zoals COVID-19. Het zou ook de mogelijkheden voor snelle screening op andere gevaarlijke aandoeningen, zoals prostaatkanker en sepsis, kunnen uitbreiden.

Wetenschappers van de Universiteit van Californië, Berkeley, hebben een test ontwikkeld die een natuurlijk verdampingsproces, het zogenaamde ‘koffieringeffect’, combineert met plasmonics en kunstmatige intelligentie om binnen enkele minuten nauwkeurig ziektebiomarkers te detecteren.

"Deze eenvoudige maar krachtige techniek levert zeer nauwkeurige resultaten op in een fractie van de tijd die traditionele diagnostische methoden nodig hebben", aldus Kamyar Behrouzi, een recente promovendus in micro-elektromechanische systemen en nano-engineering aan UC Berkeley.
"Ons werk maakt de weg vrij voor toegankelijkere en betaalbare diagnostische oplossingen, met name voor regio's met beperkte middelen."

Een beschrijving van de technologie is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

Koffieringeffect en nanodeeltjes

Als je een koffie- of wijnvlek goed bekijkt, zul je merken dat deze aan de randen donkerder is dan in het midden. Dit komt door een natuurkundig fenomeen dat bekendstaat als het koffieringeffect: wanneer een druppel vloeistof verdampt, ontstaat er een stroom die zwevende deeltjes naar de randen duwt. Als de deeltjes gepigmenteerd zijn, zoals bij koffie of wijn, vormt zich een donkerdere ring rond de randen van de vlek.

In 2020 ontwikkelde Behrouz een biosensor om COVID-19 te detecteren en merkte hij dat druppels van zijn experimentele oplossing ringvormige vlekken achterlieten wanneer ze opdroogden. Hij realiseerde zich dat het koffieringeffect gebruikt kon worden om COVID-19-virusdeeltjes te concentreren, waardoor ze gemakkelijker te detecteren waren.

"We beseften dat we dit effect konden gebruiken om iets veel beters te creëren dan we oorspronkelijk hadden gepland", aldus Behrouz.

Hoe werkt de test?

Bij de snelle testtechnologie worden kleine deeltjes gebruikt, de zogenaamde plasmonische nanodeeltjes, die op een speciale manier interacteren met licht.

1. De gebruiker brengt een druppel vloeistof aan die eiwitten bevat die verband houden met de ziekte (bijvoorbeeld van een uitstrijkje uit de mond of neus) op het membraan.
2. Wanneer de druppel droog is, concentreert deze zich op ziekteverwekkende biomarkers in het koffieringgebied.
3. Vervolgens voegt de gebruiker een tweede druppel toe die plasmonische nanodeeltjes bevat die ‘plakken’ aan ziektebiomarkers.

Als er biomarkers aanwezig zijn, vormen de nanodeeltjes specifieke patronen die de manier waarop licht met het membraan interageert, veranderen. Deze veranderingen zijn met het blote oog of met een AI-gestuurde smartphone-app te zien.

De technologie levert resultaten op in minder dan 12 minuten en is 100 keer gevoeliger voor COVID-19 dan vergelijkbare thuistests.

Toepassing bij andere ziekten

"Een van de belangrijkste eiwitten die we met deze techniek kunnen detecteren, is een biomarker voor sepsis, een gevaarlijke ontstekingsreactie op een bacteriële infectie die zich zeer snel kan ontwikkelen, vooral bij mensen ouder dan 50", aldus hoofdauteur van de studie Liwei Lin, hoogleraar werktuigbouwkunde aan UC Berkeley.
"Elk uur telt, maar het kweken van bacteriën om de bron van de infectie te identificeren kan dagen duren. Onze techniek zou artsen in staat kunnen stellen sepsis binnen 10 tot 15 minuten te detecteren."

Wetenschappers hebben al een prototype van een thuistest ontwikkeld die vergelijkbaar is met snelle COVID-19-tests, met 3D-geprinte onderdelen die helpen bij het correct positioneren van het monster en het aanbrengen van plasmonische druppels.

"Tijdens de COVID-19-pandemie vertrouwden we op thuistesten om te zien of we besmet waren. Ik hoop dat onze technologie het toegankelijker maakt om regelmatig gescreend te worden op aandoeningen zoals prostaatkanker zonder dat we de deur uit hoeven", aldus Lin.