Neue Papieranalysegeräte erfassen problemlos Gesundheit und Umwelt

Wenn Sie die Anzahl der weißen Blutkörperchen messen müssen, sind dafür in der Regel Fahrten in Kliniken und teure Geräte zur Analyse erforderlich. Ebenso kann die Überprüfung der Wasserqualität auf Verunreinigungen ein langwieriger Prozess sein.

Aber jetzt entwickeln Tufts-Forscher Möglichkeiten, einige dieser Tests durchzuführen, die die Kosten erheblich senken und sie breiter verfügbar machen. Sie nutzen etwas Allgegenwärtiges: Papier. Ihre innovativen papierbasierten Tests zur Überwachung der persönlichen Gesundheit und der Umweltsicherheit machen teure Laborausrüstung überflüssig und können von jedermann und überall durchgeführt werden.

Sie sind als Papieranalysegeräte bekannt und können kostengünstig hergestellt, über einen längeren Zeitraum gelagert, zur Verwendung in entlegenen Gebieten verteilt und zum Sammeln kritischer Informationen verwendet werden, wann und wo sie am meisten benötigt werden. Sie stellen außerdem jeweils eine Technologieplattform dar, die erweitert werden kann, um andere Indikatoren für Gesundheit und Umwelt zu messen.

Nehmen Sie eine der wichtigsten Messungen im Gesundheitswesen vor: die Blutzellzahl. Allein die Messung der weißen Blutkörperchen liefert Hinweise auf alles, von Infektionen über Autoimmunerkrankungen bis hin zu Krebs. Obwohl die Probenentnahme – eine Blutentnahme – einfach erscheint, erfordert sie einen Besuch in einer Klinik und den Zugang zu zentralen klinischen Labors zur Analyse. Große Bevölkerungsgruppen – diejenigen, die an ihr Zuhause gebunden sind oder an abgelegenen Orten leben – haben diesen Zugang nicht.

Charlie Mace, außerordentlicher Professor für Chemie, überlegte, wie er helfen könnte. Er und sein Team entwickelten ein Papiergerät namens gemusterte Karte für getrocknete Blutflecken, bei dem das Papier mit Kanälen und Sammelzonen ausgestattet ist, die definierte Blutmengen abmessen und es für eine spätere Analyse an Ort und Stelle trocknen lassen. Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Analytische Chemie.

Alles, was der Benutzer tun muss, ist, zu Hause mit einem Fingerstich Blut zu entnehmen und die Probe an ein Labor zu schicken, das die Menge an DNA misst, die nur für die weißen Blutkörperchen gilt, und die Anzahl der vorhandenen Zellen angibt.

„Es gibt bereits Methoden zum Sammeln von Blut auf Papierkarten, aber sie weisen Ungenauigkeiten auf, da sowohl das Material als auch der Benutzer Schwankungen hervorrufen, die sich auf das gemessene Blutvolumen auswirken“, sagte Mace. „Die gemusterten Karten lösen dieses Problem, und die Art und Weise, wie wir die Anzahl messen – mit Instrumenten, die DNA statt ganzer Zellen quantifizieren – bedeutet, dass wir nicht darauf angewiesen sind, dass die Zellen intakt ankommen.“

Durch lokale Kooperationen hat Maces Arbeit an diesem und anderen Papieranalysegeräten Südafrika, Ghana und andere afrikanische Länder sowie Südamerika erreicht. „Menschen in abgelegenen und einkommensschwachen Regionen haben tendenziell einen eingeschränkten Zugang zur Gesundheitsversorgung, weshalb es umso wichtiger ist, kostengünstigere und einfachere Möglichkeiten für die Überwachung von Gesundheitsindikatoren zu finden“, sagte Mace.

„Diese Technologie wird wahrscheinlich weitere Anwendungen bei Infektionskrankheiten haben, etwa zur Bestimmung des Virus- und Parasitenspiegels im Blut und allgemeiner zur Erkennung von Markern für Gesundheit und Wohlbefinden.“

Ein schweißtreibender Indikator für Gesundheit

Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble-Professor für Ingenieurwissenschaften, und sein Team am Silklab der Tufts University haben ein Papieranalysegerät entwickelt, das Laktat, auch Milchsäure genannt, im Schweiß messen kann. Ein Papier zu dieser Innovation wurde veröffentlicht in Fortschrittliche Sensorforschung.

Laktatmessungen können auf Sauerstoffmangel hinweisen und als Prädiktor für die Mortalität bei Traumapatienten dienen. Für Sportler oder Arbeiter unter körperlich anstrengenden Bedingungen stellt Laktat ein quantitatives Maß für Muskelermüdung sowie Fitness- und Konditionsniveau dar.

Omenetto verwendete bioreaktive Tinten aus Seidenfibroin – dem Baustein der Seidenfasern – in Kombination mit Enzymen, die Laktat verarbeiten, um bei Vorhandensein einen Farbwechsel auszulösen.

Die Tinten werden auf kleine kreisförmige Papierstreifen gedruckt, die mit einer üblichen transparenten Folie, die für Wundauflagen verwendet wird, auf die Haut geklebt werden. Die Farbe der Lappen verändert sich je nach Laktatkonzentration im Schweiß von gelb nach dunkelrot. Diese Farbverschiebungen werden mit einer Smartphone-Kamera gemessen und weisen eine Genauigkeit auf, die mit Ergebnissen teurer Laborgeräte vergleichbar ist.

„Das Seidenfibroin hat eine bemerkenswerte Fähigkeit, die Enzyme in der Tinte zu stabilisieren, sodass die Pflaster sehr lange haltbar sind – bisher über zwei Jahre im Kühlschrank“, sagte Elisabetta Ruggeri, EG25, die die Entwicklung der Papiergeräte leitete. „Die Methode kann erweitert werden, um Tinten herzustellen, die andere Elemente im Schweiß messen – um mit einer Reihe von Papiertabs ein umfassenderes Profil der Gesundheit und Leistungsfähigkeit einer Person zu erhalten. Es ist, als ob man ein Labor auf der Haut trägt.“

Goldstandard für Wassertests

Überall auf der Welt sind schlechte Wasserqualität und durch Wasser übertragene Krankheiten ernste Probleme und betreffen Millionen von Menschen. Jetzt haben Sameer Sonkusale, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik, und das Nano Lab der Tufts University ein neuartiges Papieranalysegerät entwickelt, das bakterielle Kontaminationen im Wasser erkennen und messen kann. Diese Forschung war veröffentlicht In ACS-Sensoren.

Bei der Methode werden Goldnanopartikel verwendet, die an ein Antibiotikum namens Polymyxin gebunden sind, das sich an gramnegative Bakterien bindet – die üblichen Verdächtigen bei Wasserverschmutzung. Wenn Bakterien vorhanden sind, binden sie sich an die Goldpartikel im Gerät und aggregieren diese. Wenn sich die Goldpartikel ansammeln, beginnen sie, ihre Farbe von rötlich-rosa nach blau zu ändern. Eine Smartphone-Kamera und eine handelsübliche App namens ColorAssist ermöglichen die Messung der Farbverschiebung und können den Bakteriengehalt in der Probe quantifizieren.

Tatsächlich haben die Forscher im selben Papieranalysegerät eine weitere Sammelzone geschaffen, die das Vorhandensein von Nitrit, einem weiteren gefährlichen Schadstoff im Wasser, quantifiziert. Durch das Drucken und Schmelzen eines Wachsmusters entstehen Testzonen und Kanäle auf dem Papiergerät. Auf diese Weise könnte ein Gerät so konzipiert werden, dass es eine Wasserprobe auf eine große Anzahl verschiedener Verunreinigungen untersucht.

Durch die Verwendung von Goldnanopartikeln anstelle von Enzymen oder Antikörpern ist gewährleistet, dass die Papiertests stabil sind und über einen längeren Zeitraum ohne Kühlung gelagert werden können. Obwohl die Tests im Wesentlichen aus einem Blatt Papier und einem Smartphone bestehen, sind sie in ihrer Genauigkeit mit kommerziellen Tests und Labortests vergleichbar.

Diese kostengünstigen und benutzerfreundlichen Papiergeräte für die Wasserqualität bieten viele Vorteile, insbesondere für die Wasserüberwachung in abgelegenen Gebieten der Welt, in denen es an sanitärer Infrastruktur mangelt.

Die Papiergeräte können auch das zum Waschen von Produkten verwendete Wasser überwachen und Benutzer vor potenziell schädlichen, durch Lebensmittel übertragenen Krankheitserregern warnen. Für das Militär ist der Zugang zu sauberem Wasser für Einsätze von grundlegender Bedeutung, und ein einfacher, leichter und kostengünstiger papierbasierter Test der Wasserqualität könnte von entscheidender Bedeutung sein.

Das Papiergerät von Sonkusale hat auch gesundheitliche Anwendungen, die über die Prüfung der Wasserqualität hinausgehen. „Die Erkennung von Harnwegsinfektionen ist leider ein sehr häufiges Problem, insbesondere bei Frauen und älteren Menschen“, sagte er. „Wir können jedem anfälligen Patienten einen benutzerfreundlichen, papierbasierten Test an die Hand geben und mit der Früherkennung viele Leben retten, da eine Infektion oft zu einer Sepsis führen kann, wenn sie nicht rechtzeitig erkannt wird.“