Les capacités de détection quantique des nanodiamants peuvent être utilisées pour améliorer la sensibilité des tests de diagnostic sur papier, permettant potentiellement une détection plus précoce de maladies telles que le VIH, selon une étude menée par des chercheurs de l'UCL du groupe i-sense McKendry.

Les tests à flux latéral sur papier fonctionnent de la même manière qu'un test de grossesse en ce sens qu'une bande de papier est trempée dans un échantillon de liquide et qu'un changement de couleur (ou signal fluorescent) indique un résultat positif et la détection de protéines virales ou d'ADN. Ils sont largement utilisés pour détecter des virus allant du VIH au SRAS-CoV-2 (des tests de flux latéral pour Covid-19 sont actuellement pilotés à travers l'Angleterre) et peuvent fournir un diagnostic rapide, car les résultats n'ont pas à être traités dans un laboratoire.

La nouvelle recherche, Publié dans La nature , ont découvert que des nanodiamants à faible coût pouvaient être utilisés pour signaler la présence d'un marqueur de la maladie du VIH avec une sensibilité plusieurs milliers de fois supérieure à celle des nanoparticules d'or largement utilisées dans ces tests.

Cette plus grande sensibilité permet de détecter des charges virales plus faibles, ce qui signifie que le test pourrait détecter des niveaux inférieurs de maladie ou détecter la maladie à un stade plus précoce, ce qui est crucial pour réduire le risque de transmission des personnes infectées et pour un traitement efficace de maladies telles que le VIH.

L'équipe de recherche travaille à l'adaptation de la nouvelle technologie pour tester le COVID-19 et d'autres maladies au cours des prochains mois. Une prochaine étape clé consiste à développer un appareil portatif capable de « lire » les résultats, car la technique a été démontrée à l'aide d'un microscope dans un laboratoire. D'autres études d'évaluation clinique sont également prévues.

Auteure principale, la professeure Rachel McKendry, Professeur de nanotechnologie biomédicale à l'UCL et directeur de i-sense EPSRC IRC, a déclaré :« Notre étude de validation de principe montre comment les technologies quantiques peuvent être utilisées pour détecter des niveaux ultra-faibles de virus dans un échantillon de patient, permettant un diagnostic beaucoup plus précoce.

« Nous nous sommes concentrés sur la détection du VIH, mais notre approche est très flexible et peut être facilement adaptée à d'autres maladies et types de biomarqueurs. Nous travaillons à adapter notre approche au COVID-19. Nous pensons que cette nouvelle technologie transformatrice profitera aux patients et protégera les populations contre les maladies infectieuses. »

Les chercheurs ont utilisé les propriétés quantiques des nanodiamants fabriqués avec une imperfection précise. Ce défaut dans la structure très régulière d'un diamant crée ce qu'on appelle un centre de lacune d'azote (NV). Les centres NV ont de nombreuses applications potentielles, du biomarquage fluorescent pour une utilisation en imagerie ultra-sensible aux qubits de traitement de l'information en informatique quantique.

Les centres NV peuvent signaler la présence d'un antigène ou d'une autre molécule cible en émettant une lumière fluorescente brillante. Autrefois, les marqueurs fluorescents ont été limités par la fluorescence de fond, soit à partir de l'échantillon ou de la bandelette réactive, ce qui rend plus difficile la détection de faibles concentrations de protéines virales ou d'ADN qui indiqueraient un test positif. Cependant, les propriétés quantiques des nanodiamants fluorescents permettent de moduler sélectivement leur émission, ce qui signifie que le signal peut être fixé à une fréquence définie à l'aide d'un champ micro-ondes et peut être efficacement séparé de la fluorescence de fond, remédier à cette limitation.

Les résultats optiques ont montré jusqu'à cinq ordres de grandeur (100, 000 fois) amélioration de la sensibilité par rapport aux nanoparticules d'or (c'est-à-dire un nombre beaucoup plus faible de nanoparticules étaient nécessaires pour générer un signal détectable). Avec l'inclusion d'une courte étape d'amplification à température constante de 10 minutes, dans lequel des copies de l'ARN ont été multipliées, les chercheurs ont pu détecter l'ARN du VIH au niveau d'une seule molécule dans un échantillon modèle.

Le travail a été démontré en laboratoire, mais l'équipe espère développer les tests afin que les résultats puissent être lus avec un smartphone ou un lecteur de fluorescence portable. Cela signifie que le test pourrait, dans le futur, être effectué dans des environnements à faibles ressources, le rendant plus accessible aux utilisateurs.

Le premier auteur, le Dr Ben Miller (associé de recherche postdoctorale i-sense au London Centre for Nanotechnology à l'UCL) a déclaré :« Les tests de flux latéral sur papier avec des nanoparticules d'or ne nécessitent pas d'analyse en laboratoire, ce qui les rend particulièrement utiles dans les milieux à faibles ressources et où l'accès aux soins de santé est limité. Ils sont bon marché, portable, et convivial.

"Toutefois, ces tests manquent actuellement de sensibilité pour détecter de très faibles niveaux de biomarqueurs. En remplaçant les nanoparticules d'or couramment utilisées par des nanodiamants fluorescents dans cette nouvelle conception, et moduler sélectivement leur émission de lumière (déjà brillante), nous avons pu séparer leur signal de la fluorescence de fond indésirable de la bandelette réactive, améliorant considérablement la sensibilité."

Co-auteur, le professeur John Morton, Directeur de l'Institut Quantum Science and Technology (UCLQ) de l'UCL, a déclaré :« Cette collaboration interdisciplinaire entre l'UCLQ et l'équipe i-sense du LCN est une illustration fantastique de la façon dont le travail fondamental sur les systèmes quantiques, tels que le centre NV en diamant, peut évoluer à partir du laboratoire et jouer un rôle crucial dans les applications réelles de détection et de diagnostic. Les chercheurs de l'UCLQ explorent et permettent l'impact de ces technologies et d'autres technologies quantiques en travaillant avec l'industrie et d'autres groupes de recherche universitaires. »