Gjorde ökända av utbrott på kryssningsfartyg, norovirus kan verkligen förstöra en semester, orsakar kraftiga kräkningar, diarré och magsmärtor. Men det mycket smittsamma viruset kan också slå närmare hemmet, med vatten- och livsmedelsburna utbrott som inträffar i kommunala vattensystem, skolor och restauranger. I dag, forskare rapporterar en känslig, bärbar enhet som kan upptäcka så få som en handfull noroviruspartiklar i vatten.

Forskarna kommer att presentera sina resultat vid American Chemical Society (ACS) Fall 2019 National Meeting &Exposition.

"Det krävs bara ett mycket litet antal noroviruspartiklar för att orsaka en infektion hos människor, så vi behöver en riktigt känslig detekteringsmetod, " säger Jeong-Yeol Yoon, Ph.D., som ledde laget. "Också, forskare kan inte odla norovirus i laboratoriet, och tillgängliga antikroppar mot patogenen är inte särskilt starka." Som ett resultat, att detektera mycket små mängder norovirus i vatten- eller livsmedelsprover involverar vanligtvis en polymeraskedjereaktion (PCR)-baserad metod, som tar flera timmar och måste utföras i ett labb av utbildad personal.

I tidigare arbeten, Yoon och hans kollegor vid University of Arizona utvecklade en smartphone-baserad enhet som kunde upptäcka låga nivåer av norovirus genom att mäta ljuset som sprids från virusbundna polystyrenpärlor i ett mikrofluidiskt papperschip. "Även om vår upptäcktsgräns var riktigt låg, problemet var att norovirus kan vara smittsamt i ännu lägre koncentrationer, " säger Yoon. "När vi pratade om det här arbetet på konferenser, feedbacken vi fick var att vi måste tillhandahålla en ännu enklare metod som kan upptäcka mycket lägre koncentrationer av virus."

Så teamet gick tillbaka till labbet och utvecklade ett nytt tillvägagångssätt som använder fluorescens, snarare än ljusspridning, för att upptäcka norovirus. Forskarna omvandlade en vanlig smartphone till ett fluorescensmikroskop genom att fästa ett kommersiellt tillgängligt ljusmikroskoptillbehör, en separat ljuskälla och två bandpassfilter. Till en kanal i deras pappersmikrofluidchip, de tillsatte ett vattenprov innehållande norovirus. Sedan, forskarna lade till en suspension av fluorescerande pärlor med antikroppar mot norovirus fästa till dem. Papperets kapillärverkan fick de två vätskorna att rinna och blandas. Varje enskild noroviruspartikel bunden till flera fluorescerande pärlor via sina bifogade antikroppar, vilket får pärlorna att aggregera och producera en mycket större storlek av fluorescerande bild.

Teamet tog bilder av chippet med sitt smartphone-baserade fluorescensmikroskop, och en app beräknade noroviruskoncentrationer från bildernas pixelantal. "Den lägsta detektionsgränsen motsvarade cirka 5 eller 6 noroviruspartiklar per prov, så det är väldigt nära singelvirusnivån, " säger Yoon. Eftersom så få som 10 viruspartiklar kan orsaka sjukdom hos människor, den nya metoden är tillräckligt känslig för praktiska tillämpningar.

Nyligen, Yoon och kollegor gjorde systemet mer kompakt och handhållet genom att omsluta det fluorescerande mikroskopet, ljuskälla och optiska filter i ett 3D-tryckt fodral. De utvecklade också en molnapp för att analysera de stora bilderna och skicka tillbaka resultaten till smarttelefonen. Dessutom, de hittade ett sätt att koncentrera prover inom papperschippet så att de kan analysera mycket större provvolymer.

Enheten kan upptäcka små mängder norovirus i både renat vatten och återvunnet avloppsvatten, vilket är väldigt smutsigt. Kranvatten, å andra sidan, var felbenägen. "Vi tror att klor i kranvatten påverkar analysen, " säger Yoon. "Vi tror inte att det kommer att vara något problem att behandla vattnet för att ta bort klor innan vi utför vår metod." Yoon föreställer sig att personalen på kommunala vattensystem kan använda enheten och appen för att kontrollera om det finns norovirus i vattenförsörjningen. För att testa användningen av analysen i fältet, teamet samarbetar med Kelly Reynolds, Ph.D., på samma institution, samt Tucson Water.

Nu, Yoon och kollegor arbetar med att använda sin smartphone-baserade enhet för att diagnostisera norovirusinfektioner hos patienter i ett tidigare skede än vad som är möjligt för närvarande. Att göra detta, de planerar att analysera fekala prover. "När norovirus når nivåer som kan detekteras med andra metoder, personen är redan allvarligt sjuk, " säger Yoon. "Men om vi kan upptäcka viruset tidigare, de kan få medicinsk vård tidigare." Tidig upptäckt kan också hjälpa till att begränsa spridningen av sjukdomar i isolerade, trånga situationer som kryssningsfartyg, där skillnaden mellan en upprörd mage och en norovirusinfektion kan vägleda karantäninsatser eller påskynda att få en passagerare till hamn för behandling.