En snabb, lågkostnadsteknik för att se och räkna virus eller proteiner från ett prov i realtid, utan några kemikalier eller färgämnen, kan underbygga en ny klass av enheter för snabb diagnostik och virusbelastningsövervakning, inklusive HIV och viruset som orsakar covid-19.

Forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign beskrev tekniken, kallad fotonisk resonator interferometrisk spridningsmikroskopi, eller PRISM, i journalen Naturkommunikation .

"Vi har utvecklat en ny form av mikroskopi som förstärker interaktionen mellan ljus och biologiska material. Vi kan använda den för mycket snabba och känsliga former av diagnostiska tester, och även som ett mycket kraftfullt verktyg för att förstå biologiska processer i skalan av enskilda föremål, som att räkna enskilda proteiner eller registrera individuella proteininteraktioner, " sa studieledare Brian Cunningham, Intel Alumni Endowed ordförande för el- och datorteknik och medlem av Holonyak Micro and Nanotechnology Lab och Carl R. Woese Institute for Genomic Biology i Illinois.

I optiska mikroskop, ljus studsar av alla molekyler eller virus som det möter på en bild, skapa en signal. Istället för en vanlig glasskiva, PRISM-tekniken använder fotonisk kristall:en nanostrukturerad glasyta som briljant reflekterar endast en våglängd av ljus. Cunninghams grupp designade och tillverkade en fotonisk kristall som reflekterar rött ljus, så att ljuset från en röd laser skulle förstärkas.

"Molekylerna vi tittar på - i den här studien, virus och små proteiner — är extremt små. De kan inte sprida tillräckligt med ljus för att skapa en signal som kan detekteras av ett konventionellt optiskt mikroskop, sa doktoranden Nantao Li, tidningens första författare. "Fördelen med att använda den fotoniska kristallen är att den förstärker ljusets intensitet så att det är lättare att upptäcka dessa signaler och gör det möjligt för oss att studera dessa proteiner och virus utan några kemiska märkningar eller färgämnen som kan ändra deras naturliga tillstånd eller hindra deras aktivitet - vi kan använd bara den inneboende spridningssignalen som mätare för att avgöra om dessa molekyler är närvarande."

Forskarna verifierade sin teknik genom att upptäcka viruset som orsakar covid-19. PRISM upptäckte individuella coronavirus när de färdades över rutschkanans yta. Forskarna använde också PRISM för att detektera enskilda proteiner som ferritin och fibrinogen. Tekniken skulle kunna göra det möjligt för forskare att studera sådana biologiska mål i deras naturliga tillstånd - att se när proteiner interagerar, till exempel – eller så kan forskare så ytan av den fotoniska kristallbilden med antikroppar eller andra molekyler för att fånga de riktade föremålen och hålla dem på plats.

"Det tar 10 sekunder att få en mätning, och under den tiden kan vi räkna antalet virus som fångats på sensorn, " sade Cunningham. "Det är en enstegsdetektionsmetod som fungerar vid rumstemperatur. Det är också snabbt, mycket känslig och låg kostnad. Det skiljer sig mycket från det vanliga sättet vi gör virustester nu, vilket innebär att bryta upp virusen, extrahera deras genetiska material och sätta det genom en kemisk amplifieringsprocess så att vi kan upptäcka det. Den metoden, kallas PCR, är korrekt och känslig, men det kräver tid, specialiserad utrustning och utbildade tekniker."

Cunninghams grupp arbetar med att införliva PRISM-teknik i bärbara, snabba diagnostiska enheter för övervakning av COVID-19 och HIV-virusbelastning. Gruppen undersöker prototypenheter som innehåller filter för blodprover och till och med kondensationskammare för utandningsprov.

"Vi kommer också att använda detta som ett forskningsverktyg för biologi och cancer, ", sade Cunningham. "Vi kan använda den för att förstå proteininteraktioner som är delar av sjukdomsprocesser. Vi är intresserade av att använda den för att upptäcka dessa små vesiklar som cancerceller utgjuter, och för att se vilka vävnader de kommer ifrån, för diagnos, och även för att studera vilken last de transporterar från cancercellerna."