Актуальність
Розробка високочутливих біосенсорних інструментів, спрямованих на SARS-CoV-2, має вкрай важливе значення в актуальній ситуації пандемії COVID-19. Одним із таких приладів можуть бути надчутливі квантові сенсори [2]. Дослідниками Массачусетського технологічного інстититу (Massachusetts Institute of Technology), США, нещодавно розроблено молекулярний перетворювач, здатний трансформувати наявність РНК SARS-CoV-2 в однозначний сигнал магнітного шуму, який можна зчитувати оптично. За сподіваннями розробників, новий діагностичний підхід у виявленні SARS-CoV-2 може стати кроком вперед, адже дозволить більш швидко і точно отримати результат, при цьому методика є менш вартісною порівняно з існуючими нині технологіями. Крім того, розроблений квантовий детектор потенційно може бути адаптований до широкого спектру вірусних збудників [1]. Стаття за матеріалами дослідження опублікована у виданні «Nano Letters» 16 грудня 2021 р.
Квантова технологія діагностики SARS-CoV-2
Існуючі нині діагностичні методики з ідентифікації SARS-CoV-2 представлені швидкими тестами, які дозволяють виявляти специфічні вірусні білки, і методом полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР), обробка результатів якої потребує декількох годин. Але жоден із вказаних тестів не здатний з високою точністю визначити кількість наявних вірусних частинок. Навіть ПЛР-тестування, яке визнано золотим стандартом діагностики SARS-CoV-2, відрізняється можливістю хибнонегативних результатів більше 25%. На відміну від цього, як стверджується в представленому дослідженні, розроблений метод передбачає аналогічні похибки на рівні <1%. Тест також може бути досить чутливим для виявлення лише кількох сотень ланцюгів вірусної РНК за 1 с.
Новий підхід використовує дефекти атомного масштабу в крихітних шматочках алмазу, відомі як центри азотних вакансій (NV). Ці крихітні дефекти є надзвичайно чутливими до незначних збурень завдяки квантовим ефектам, які відмічаються в межах кристалічної решітки алмазу і досліджуються для широкого спектру надчутливих сенсорних пристроїв. Запропонований метод полягає у покритті наноалмазів, що містять NV-центри, матеріалом, який магнітно споріднений з ними і попередньо оброблений для зв’язування лише зі специфічною послідовністю РНК-вірусу. За наявності SARS-CoV-2 РНК вірусу зв’язується з цим матеріалом, порушуючи цим магнітний зв’язок і викликаючи зміни у флуоресценції алмазу, що легко виявляються за допомогою оптичного лазерного датчика.
У ході дослідження проведено апробацію гібридного сенсора, включаючи оцінку його чутливості та частоту помилкових зчитувань, а також здійснено порівняння ефективності розробленого інструменту з доступними нині діагностичними методиками. Встановлено, що запропонований метод дозволяє швидко отримати результат, а чутливість сенсору сприяє ідентифікації збудників за наявності близько кількох сотень копій РНК з частотою помилково негативних результатів менше 1%.
Перспективи клінічного використання методу
Початкова робота проведена на основі детального математичного моделювання, і нині дослідники працюють над удосконаленням та адаптацією методології до рівня реальних лабораторних масштабів. Мультидисциплінарний процес виробництва квантових сенсорів вимагає поєднання досвіду не лише квантової фізики та інженерії, але й хімії та біології, що необхідно для розробки молекул, які зв’язуються з вірусною РНК, і пошуку способів зв’язування їх з поверхнею алмазу. Але дослідники звертають увагу на те, що матеріали, які використовуються в сенсорі, не є високовартісними. Зокрема, розміри алмазів є меншими за частинки пилу; покриття на основі гадолінію з його органічними молекулами, налаштованими на РНК, не потребує особливих технологічних витрат, а використання лазерів на етапі зчитування результатів є зіставним з можливостями дешевих комерційних аналогів, відомих як зелені лазерні вказівки.
Запропонований квантовий сенсор може бути вдосконалений для діагностики інших РНК-вірусів. Крім того, автори розробки не виключають можливості інтеграції біосенсору з технологією CRISPR. За словами дослідників, адаптація первинного методу до діагностичних потреб у визначенні інших вірусів потребує лише модифікації структури сполук, приєднаних до наноалмазного датчика, відповідно до генетичного матеріалу цільового віруса. Тому розроблений метод дійсно має шанс стати новим потужним інструментом біомедичної діагностики.
Список використаної літератури
- Li C., Soleyman R., Kohandel M. et al. (2021) SARS-CoV-2 quantum sensor based on nitrogen-vacancy centers in diamond. Nano Lett., 16 Dec. doi: 10.1021/acs.nanolett.1c02868.
- Wang G., Li C., Cappellaro P. (2021) Observation of symmetry-protected selection rules in periodically driven quantum systems. Phys. Rev. Lett., 29 Sep. doi: 10.1103/PhysRevLett.127.140604.
Наталія Савельєва-Кулик
Редакція журналу «Український медичний часопис»
