När man ska mäta antalet vita blodkroppar handlar det oftast om resor till kliniker och dyr utrustning för analys. På samma sätt kan det vara en lång process att kontrollera vattenkvaliteten för föroreningar.
Men nu kommer Tufts-forskare på sätt att göra några av dessa tester som kraftigt sänker kostnaderna och gör dem mer allmänt tillgängliga. De använder något som finns överallt:papper. Deras innovativa pappersbaserade tester för övervakning av personlig hälsa och miljösäkerhet eliminerar behovet av dyr laboratorieutrustning och kan utföras av vem som helst, var som helst.
Kända som pappersanalytiska enheter kan de tillverkas billigt, lagras under långa perioder, distribueras för användning i avlägsna områden och användas för att samla in viktig information när och där den behövs som mest. De representerar också var och en en teknologiplattform som kan utökas för att mäta andra markörer för hälsa och miljö.
Gör en av de viktigaste mätningarna inom vården:antalet blodkroppar. Att bara mäta vita blodkroppar ger ledtrådar till allt från infektioner till autoimmuna sjukdomar till cancer. Även om provtagning – en blodtagning – verkar enkel, kräver det ett besök på en klinik och tillgång till centraliserade kliniska laboratorier för analys. Stora populationer av människor – de som är hembundna eller bor på avlägsna platser – har inte den tillgången.
Charlie Mace, docent i kemi, tänkte på ett sätt att hjälpa. Han och hans team skapade en pappersenhet som kallas ett mönstrat torkat blodfläckskort, där papperet är konstruerat med kanaler och uppsamlingszoner som mäter upp definierade volymer blod och låter det torka på plats för senare analys. Forskningen är publicerad i tidskriften Analytical Chemistry .
Allt användare behöver göra är att samla in blod hemma med ett fingerstick och skicka provet till ett labb, som mäter mängden DNA som är unik för de vita blodkropparna och indikerar antalet närvarande celler.
– Det finns redan metoder för att samla in blod på papperskort, men de har lidit av felaktigheter eftersom både materialet och användaren introducerar variationer som påverkar den uppmätta blodvolymen, säger Mace. "De mönstrade korten löser det problemet, och sättet vi mäter antalet - med instrument som kvantifierar DNA snarare än hela celler - betyder att vi inte är beroende av att cellerna kommer intakta."
Genom lokala samarbeten har Maces arbete med denna och andra pappersanalytiska enheter nått Sydafrika, Ghana och andra afrikanska länder, såväl som Sydamerika. "Människor i avlägsna och låginkomstregioner tenderar att ha minskad tillgång till hälsovård, vilket gör det desto viktigare att hitta billigare och enklare sätt för dem att övervaka hälsoindikatorer", säger Mace.
"Den här tekniken kommer sannolikt att ha ytterligare tillämpningar vid infektionssjukdomar som att upptäcka nivåer av virus och parasiter i blodet och mer allmänt för att upptäcka markörer för hälsa och välbefinnande."
En svettig hälsoindikator
Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble professor i teknik, och hans team vid Tufts University Silklab skapade en pappersanalytisk enhet som kan mäta laktat, även känd som mjölksyra, i svett. En artikel om denna innovation publicerades i Advanced Sensor Research .
Laktatmätningar kan indikera syrebrist och användas som en prediktor för dödlighet hos traumapatienter. För idrottare eller arbetare i fysiskt stressiga förhållanden ger laktat ett kvantitativt mått på muskeltrötthet, såväl som konditions- och konditionsnivåer.
Omenetto använde bioreaktivt bläck som härrörde från silkesfibroin – byggstenen i silkesfibrer – i kombination med enzymer som bearbetar laktat för att utlösa en färgförändring när det är närvarande.
Bläcken skrivs ut på små runda pappersflikar som fästs på huden med en vanlig transparent film som används för sårförband. Färgen på flikarna skiftar från gul till mörkröd beroende på koncentrationen av laktat i svetten. Dessa färgskiftningar mäts med en smartphonekamera och har en noggrannhet som är jämförbar med resultat med dyr laboratorieutrustning.
"Silkesfibroin har en anmärkningsvärd förmåga att stabilisera enzymerna i bläcket, så plåstren har en mycket lång hållbarhet - över två år i kylning hittills", säger Elisabetta Ruggeri, EG25, som ledde utvecklingen av pappersenheterna. "Metoden kan utökas till att göra bläck som mäter andra element i svett - för att få en mer komplett profil av personens hälsa och prestanda med en panel av pappersflikar. Det är som att bära ett laboratorium på huden."
Över hela världen är dålig vattenkvalitet och vattenburna sjukdomar allvarliga problem och drabbar miljontals människor. Nu har Sameer Sonkusale, professor i el- och datateknik, och Tufts University Nano Lab utvecklat en ny pappersanalytisk enhet som kan upptäcka och mäta bakteriell kontaminering i vatten. Denna forskning publicerades i ACS Sensors .
Metoden använder guldnanopartiklar fästa till ett antibiotikum som kallas polymyxin som binder till gramnegativa bakterier - de vanliga misstänkta för vattenförorening. När bakterier är närvarande binder de till och aggregerar guldpartiklarna i enheten. När guldpartiklarna samlas börjar de ändra färg från en rödrosa till blå. En smartphonekamera och en standardapp som heter ColorAssist tillåter mätning av färgskiftningen och kan kvantifiera nivån av bakterier i provet.
Faktum är att i samma pappersanalytiska anordning skapade forskarna en annan insamlingszon som kvantifierar närvaron av nitrit, en annan farlig förorening i vatten. Utskrift och smältning i ett vaxmönster skapar testzoner och kanaler på pappersenheten. På så sätt kan en enhet designas för att testa för ett stort antal olika föroreningar i ett vattenprov.
Användningen av guldnanopartiklar, snarare än enzymer eller antikroppar, säkerställer att papperstesterna är stabila och kan lagras under längre perioder utan kylning. Trots att de huvudsakligen består av ett papper och en smartphone, är testerna jämförbara i noggrannhet med kommersiella analyser och laboratorieanalyser.
Det finns många fördelar med dessa billiga, lättanvända pappersenheter av vattenkvalitet, särskilt för övervakning av vatten i avlägsna områden i världen där sanitetsinfrastruktur saknas.
Pappersenheterna kan också övervaka vatten som används för att tvätta produkter och varna användare för eventuella skadliga livsmedelsburna patogener. För militären är tillgång till rent vatten grundläggande för operationer, och ett enkelt, lätt och billigt pappersbaserat test för vattenkvalitet kan vara en viktig tillgång.
Sonkusales pappersenhet har även hälsotillämpningar utöver att testa vattenkvaliteten. "Detektering av urinvägsinfektioner är tyvärr ett mycket vanligt problem, särskilt bland kvinnor och äldre", sa han. "Vi kan lägga ett lättanvänt pappersbaserat test i händerna på varje mottaglig patient och med tidig upptäckt rädda många liv eftersom infektionen ofta kan utvecklas till sepsis om den inte upptäcks i tid."
Mer information: Allison J. Tierney et al, hematokritoberoende provtagning möjliggör räkning av vita blodkroppar från mönstrade torkade blodfläckskort, Analytisk kemi (2024). DOI:10.1021/acs.analchem.3c04439
Elisabetta Ruggeri et al., Pappersbaserade bärbara plåster för realtid, kvantitativ laktatövervakning, Avancerad sensorforskning (2023). DOI:10.1002/adsr.202300141
Kawin Khachornsakkul et al, Gold Nanomaterial-Based Microfluidic Paper Analytical Device för simultan kvantifiering av gramnegativa bakterier och nitritjoner i vattenprover, ACS-sensorer (2023). DOI:10.1021/acssensors.3c01769
Journalinformation: ACS-sensorer , Analytisk kemi
Tillhandahålls av Tufts University
