In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Klein, Die Autoren geben einen Überblick über mikro- und nanoskalige Technologien, die die Diagnose von Viruserkrankungen vorantreiben.
Studie:Mikro- und nanoskalige Technologien zur Diagnose von Virusinfektionen. Bildquelle:nito / Shutterstock.com
Die Diagnose viraler Infektionen hängt weitgehend von der Fähigkeit ab, virale Moleküle wie Oligonukleotide oder Glykoproteine in einer biologischen Probe zu messen. Zu den konventionellen Methoden, die dazu verwendet werden, gehören die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), Festphasen-Immunoassays (SPIs), Zellkultur, und Immunfluoreszenz.
Obwohl diese Methoden zuverlässig und schnell sind, Sie sind oft mit mehreren Einschränkungen verbunden, darunter relativ hohe Kosten, die Komplexität der Methoden, der Bedarf an geschultem Personal für die Durchführung dieser Experimente, und ein Mangel an hoher Präzision. Diese Ansätze sind auch nicht in der Lage, etwa ein Drittel der respiratorischen Virusinfektionen zu erkennen, virale Gastroenteritis, und virale Enzephalitis.
Deutlich, Es besteht weiterhin Bedarf an kostengünstigen Diagnosetechnologien, die praktisch sind, tragbar, zuverlässig, präzise, und ermöglichen Point-of-Care-Anwendungen (POC). Das Aufkommen von Technologien im Mikro- und Nanobereich bietet eine potenzielle Lösung für die Herausforderungen, die mit den herkömmlichen Methoden zur Virusdiagnose verbunden sind.
Zu den wichtigsten Vorteilen, die mit Mikro- und Nanotechnologien verbunden sind, gehören Miniaturisierung, Automatisierung, Praktikabilität, und benutzerfreundlicher Natur. Diese Technologien verwenden oft kostengünstige mikrofluidische Kanäle mit einem hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnis und minimalen Volumenanforderungen. Dadurch wird der Verbrauch von Proben und teuren Reagenzien reduziert. Mikro- und nanoskalige Technologien sind kostengünstige Lösungen, die in der Lage sind, die enorme Vielfalt von Säugetierviren zu erkennen, von denen bekannt ist, dass sie den Menschen infizieren.
Miteinander ausgehen, mikro- und nanoskalige Technologien wurden verwendet, um alle Aspekte der Diagnoseverfahren für Viruserkrankungen zu verbessern. Dazu gehören Probenahmen, Probenbearbeitung, Erkennung, Anreicherung, Detektionsmethoden.
Verschiedene Arten von Proben aus dem menschlichen Körper können verwendet werden, um virale Moleküle zu Diagnosezwecken nachzuweisen. Für die meisten Labortests diese Proben enthalten Speichel, Samen, Urin, Sputum, und Kot. Jedoch, Proben können auch entnommen werden, wenn sich der Patient einem chirurgischen Eingriff unterzieht und/oder in Narkose ist, dazu gehören zerebrospinale, Fruchtwasser, Kabel, oder Gelenkflüssigkeit.
Auf Mikronadeln (MN) basierende Abstrichtupfer werden seit mehreren Jahrzehnten für Probenahmezwecke verwendet. Einige Vorteile, die mit MN-Pflastern verbunden sind, umfassen eine große Oberfläche und die Fähigkeit, tief in die Haut einzudringen, Dies ermöglicht ein effizientes Einfangen von Viren. Eigentlich, bei Verwendung zur frühen ätiologischen Diagnose von COVID-19, hohe Raten „falsch negativer Ergebnisse“ wurden vermieden.
Auf der Grundlage von Mikro- und Nanotechnologien wurden auch verschiedene Arten von Ausatemluft-Probenahmegeräten für den Virusnachweis entwickelt. Im Vergleich zu früheren Ausatemgeräten, die sehr unangenehm sind, diese neuartigen Geräte sind komfortabler und können daher zur Früherkennung von respiratorischen Virusinfektionen eingesetzt werden.
Zu den verschiedenen mikro- und nanoskaligen Technologien, die verwendet wurden, um Virusnachweismethoden zu verbessern, gehören mikrofluidische Technologien. Die mikrofluidische Probenverarbeitung kann virale Krankheitserreger in einer dynamischen Umgebung schnell erkennen.
Lab-on-Chip-Technologien, die mit mikrofluidischen Systemen ausgestattet sind, haben vielversprechende Ergebnisse für ihren Nutzen bei der Diagnose von Viren geliefert. Jeder Kanal des mikrofluidischen Systems hat eine bestimmte Funktion wie Probenvorbereitung, Reagenzmischung, oder Erkennung, Dadurch ist die Integration konventioneller Detektionsverfahren in einen miniaturisierten Chip möglich.
Einige Vorteile, die mit dieser Art von Diagnosegerät verbunden sind, umfassen minimale Probenvolumenanforderungen und Vielseitigkeit sowohl für klinische als auch für persönliche Zwecke. Außerdem, diese mikrofluidischen Geräte sind auch in der Lage, unerwünschte Moleküle vom interessierenden Ziel zu trennen, Dadurch können Viren leicht im Blut nachgewiesen werden, Speichel, Nasen-Rachen-Abstriche, oder Urinproben.
Da viele Proben niedrige Konzentrationen wichtiger Biomarker aufweisen, die zur Unterstützung der Diagnose eines Virus verwendet werden, genaue und zuverlässige Erkennungs- und Anreicherungstechniken sind von wesentlicher Bedeutung. Da Viren extrem kleine Organismen sind, die zwischen 20 und 90 Nanometer (nm) groß sein können, Es ist entscheidend, dass Erkennungs- und Anreicherungsmethoden in der Lage sind, zu isolieren, visualisieren, und Unterscheiden dieser kleinen Mikroorganismen von anderen Molekülen innerhalb der Probe.
Zu diesem Zweck, mehrere verschiedene Nanopartikel, darunter Quantenpunkte, sowie kohlenstoffbasierte und metallische Nanopartikel, wurden für verschiedene virale Anwendungen verwendet. Bestimmtes, funktionalisierte Nanopartikel, die mit Biomolekülen wie Nukleinsäuren konjugiert wurden, Antikörper, oder Proteine haben die Spezifität von Amplifikationstechniken durch das Erfassen von Viren erhöht, auch in sehr geringen Konzentrationen vorhanden.
Zur Verbesserung der Sensitivität wurden mehrere Detektionstechniken entwickelt, die auf Mikro- und Nanotechnologien basieren. Kosteneffektivität, und Benutzerfreundlichkeit im Vergleich zu herkömmlichen Nachweisverfahren.
Nanopartikelbasierte Techniken, zum Beispiel, verwenden häufig metallische und nichtmetallische Nanopartikel aufgrund ihrer Nützlichkeit bei der Erkennung von Infektionskrankheiten. Zu den gebräuchlichsten metallischen Nanopartikeln, die für diesen Zweck verwendet wurden, gehören Gold, Silber, Eisenoxid, Zinkoxid, und Titandioxid-Nanopartikel.
Mehrere Mikrochip-basierte Techniken wurden auch zum Nachweis von Viren verwendet. Optische Sensoren, elektronische Sensoren, elektromagnetische, piezoelektrische Biosensoren, und Desoxyribonukleinsäure (DNA) Mikroarray-Biosensoren sind einige der verschiedenen Technologien, die mit On-a-Chip-Plattformen gekoppelt wurden, um die Diagnoseverfahren zu miniaturisieren.
Einige der verschiedenen Verfahren, die verwendet wurden, um einfach zu verwendende und kostengünstige Mikrofluidikvorrichtungen herzustellen, umfassen Mikrobearbeitung, computergesteuertes Fräsen, weiche Lithographie, und Kohlendioxid (CO 2 ) Laser schneiden.
Zweidimensionale (2D) und dreidimensionale (3D) Druckverfahren wurden auch verwendet, um die Produktion verschiedener Virusdiagnosegeräte zu beschleunigen. Wichtig, 3D-Druck kann mit anderen konventionellen Herstellungsverfahren kombiniert werden, wie Bearbeitung, Mahlen, und Lithographie, in dem Bemühen, komplexe Geräte herzustellen.
Weitere Herstellungsverfahren, die wegen ihrer Nützlichkeit bei der Herstellung von Mikro- und Nanosystemen für virale Diagnosezwecke diskutiert wurden, umfassen Siebdruck, Xurographie, und Lab-on-Printed Circuit Board (PCB).
Gesamt, Sowohl Mikro- als auch Nanotechnologien spielen in viralen Diagnoseprozessen eine immer größere Rolle. Die klinische Validierung und Optimierung dieser Technologien ist noch erforderlich, um ihre Einbindung in die Forschung bis hin zur klinischen Anwendung voranzutreiben.
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