Die Genauigkeit und Benutzerfreundlichkeit von point

npj Clean Water Band 6, Artikelnummer: 5 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Geogenes Fluorid verunreinigt das Wasser von mehreren Millionen Menschen. Allerdings sind sich viele über den Fluoridgehalt nicht im Klaren, was zum Teil auf Mängel bei den Nachweismethoden zurückzuführen ist. Biosensortests sind ein relativ neuer Ansatz zur Wasserqualitätsprüfung, der viele dieser Mängel behebt, aber noch nie von Laien in einer „realen“ Umgebung getestet wurde. Wir haben daher versucht, die Genauigkeit und Verwendbarkeit eines Fluorid-Biosensors am Einsatzort mithilfe von Umfragen und Feldtests im Nakuru County, Kenia, zu bewerten. Biosensor-Tests klassifizierten einen erhöhten Fluoridgehalt (≥1,5 ppm) in 89,5 % der 57 getesteten Proben genau. Auch die Benutzerfreundlichkeit war hoch; Alle Teilnehmer waren in der Lage, den Test anzuwenden und alle Proben bis auf eine korrekt zu interpretieren. Diese Daten deuten darauf hin, dass Biosensortests genaue und aussagekräftige Daten zur Wasserqualität liefern können, die Laien dabei helfen, Entscheidungen über den Wasserverbrauch zu treffen. Eine weitere Skalierung dieser Technologien könnte neue Ansätze zur Verfolgung des globalen Fortschritts in Richtung des Ziels 6 für nachhaltige Entwicklung liefern.

Wasserverschmutzung und die daraus resultierenden gesundheitlichen und wirtschaftlichen Belastungen sind ein dringendes globales Gesundheitsproblem1. Ziel für nachhaltige Entwicklung (SDG) 6 verfolgt den Fortschritt auf dem Weg zur „Verfügbarkeit und nachhaltigen Bewirtschaftung von Wasser und Sanitärversorgung für alle“. Der Fortschritt in Richtung SDG-Ziel 6.1, der Anteil der Menschen mit „universellem und gleichberechtigtem Zugang zu sicherem und erschwinglichem Trinkwasser“, wird hauptsächlich anhand von Daten über den Zugang zur Trinkwasserinfrastruktur verfolgt, die von nationalen Statistikämtern an das Kinderhilfswerk der Vereinten Nationen (UNICEF) und die UNICEF gemeldet werden Gemeinsames Überwachungsprogramm (JMP) der Weltgesundheitsorganisation (WHO)2.

Aktuelle, auf JMP-Daten basierende Schätzungen deuten darauf hin, dass zwei Milliarden Menschen weltweit keinen Zugang zu einer sicher verwalteten Trinkwasserversorgung haben2, so dass wir nicht auf dem richtigen Weg sind, Ziel 6.1 bis 2030 zu erreichen3. Selbst diese Schätzung könnte zu optimistisch sein, da die aktuellen Daten zur Wasserqualität begrenzt sind4 . Insbesondere verfügen weniger als die Hälfte der Mitgliedstaaten der Vereinten Nationen über die Ressourcen, um Daten zur Wasserqualität zu generieren, die aussagekräftig genug sind, um die Governance voranzutreiben3. Daher besteht ein anerkannter Bedarf an umfassender nutzbaren Datenerfassungstechnologien, um das Vorhandensein von Wasserverunreinigungen zu verfolgen, die von der WHO als vorrangig identifiziert wurden5, insbesondere E. Coli, Arsen, Nitrite und Fluorid6.

Gefährliche Mengen an Fluorid werden in Wasserquellen gefunden, die von Millionen Menschen weltweit genutzt werden7,8. Eine Exposition gegenüber Fluoridkonzentrationen über 1,5 ppm (oder 1,5 mg/L), dem von der WHO6 festgelegten Grenzwert, tritt typischerweise dann auf, wenn natürlich vorkommende fluoridierte Salze in unterirdische Grundwasserleiter gelangen. Erhöhte Fluoridwerte im Grundwasser treten weltweit auf und geben insbesondere im nördlichen und östlichen Afrika, im Nahen Osten sowie in Teilen Nord- und Südamerikas Anlass zur Sorge9,10. Obwohl eine Fluoridexposition unter 1 ppm gesundheitliche Vorteile mit sich bringt, einschließlich der Vorbeugung von Zahnkaries11 und der Behandlung von Osteoporosesymptomen12, hat eine chronische Exposition gegenüber hohen Fluoridkonzentrationen eine Reihe nachteiliger Auswirkungen, insbesondere Zahn- und Skelettfluorose13. Fluorose versprödet Zähne und Knochen, indem sie sich an das darin enthaltene Kalzium bindet, und kann zu schwächenden lebenslangen gesundheitlichen Komplikationen führen14,15.

Eines der größten Hindernisse bei der Eindämmung der Belastung durch schädliches geogenes Fluorid ist die Schwierigkeit, dessen Vorhandensein zu identifizieren: Fluorid im Wasser ist farblos, geruchlos und unter 2,4 ppm geschmacklich nicht wahrnehmbar16. Glücklicherweise ist es einfach, den Fluoridspiegel im Labor mithilfe von Techniken wie Ionenchromatographie oder ionenempfindlichen Elektroden7 genau zu quantifizieren. Darüber hinaus könnten hochmoderne Fluoreszenzsonden, die in der Lage sind, nanomolare Analytmengen nachzuweisen17,18,19, eine noch einfachere Methode für die Probenanalyse im Labor bieten. Für den Betrieb dieser Technologien ist jedoch eine erhebliche Infrastruktur und Fachkompetenz erforderlich, was einen zentralisierten Ansatz für ihre Nutzung erfordert. Ein zentralisierter Ansatz wiederum erfordert, dass Proben vor Ort gesammelt und an das Labor geschickt werden, was zu zusätzlichen Kosten und logistischen Einschränkungen bei der Prüfung und Übermittlung der Ergebnisse in potenziell betroffenen Gebieten führt.

Zur Umgehung einiger dieser Einschränkungen gibt es derzeit präzise Point-of-Use-Technologien, die jedoch aufgrund ihrer Kosten, Komplexität und/oder Genauigkeit für Laien nur von begrenztem Wert sind6. Beispielsweise können tragbare Fluorid-Messelektroden und Photometer den Fluoridgehalt im Wasser vor Ort quantitativ messen, kosten jedoch Hunderte bis Tausende von Dollar und erfordern für ihre Verwendung Kalibrierungsverfahren und Wartung. Chemikalienstreifen am Einsatzort stellen eine weitere praktische Alternative dar, die weniger als 1,00 US-Dollar pro Test kostet, aber anfällig für falsch negative Ergebnisse sind und selbst extrem hohe Fluoridwerte häufig nicht erkennen20. Daher besteht ein Bedarf an genauen, einfachen und kostengünstigen Methoden, die auch von Laien verwendet werden können, um Wasserquellen mit Fluoridgehalten von ≥ 1,5 ppm am Verwendungsort genau zu identifizieren. Solche Tests können sowohl Menschen dabei helfen, Entscheidungen über den Wasserverbrauch zu treffen, als auch den globalen Fortschritt in Richtung SDG 6 zu verfolgen.

Zellfreie Biosensortechnologien bieten eine vielversprechende Strategie für die Entwicklung genauer, einfacher und erschwinglicher Wasserqualitätsdiagnostik21. Biosensoren sind natürlich vorkommende RNA- oder Proteinsysteme in Zellen, die für die Zellgesundheit relevante Verbindungen wahrnehmen. Diese natürlichen Systeme funktionieren, indem sie Wechselwirkungen mit den RNAs oder Proteinen binden, die dann die Expression von Genen auslösen, die wiederum die Verbindung metabolisieren oder exportieren können. Synthetische Biosensoren können erstellt werden, indem diese natürlichen Systeme aus der Zelle extrahiert und neu konfiguriert werden, um genetisch kodierte Reportergene zu exprimieren, die zu einem visuell erkennbaren Signal führen, das das Vorhandensein der Zielverbindung anzeigt (z. B. Farbänderung). Eine wesentliche Stärke dieser Systeme besteht darin, dass sie als In-vitro-Reaktion außerhalb einer lebenden Zelle ablaufen und daher keine genetisch veränderten Organismen sind. Darüber hinaus können sie gefriergetrocknet und gelagert werden, was die Herstellung und den Transport dorthin erleichtert, wo sie benötigt werden. Durch die Rehydrierung der Tests mit Wasserproben können diese daher als Point-of-Use-Diagnose der Wasserqualität eingesetzt werden. Darüber hinaus kosten Biosensor-Reagenzien in der Größenordnung von mehreren zehn Cent pro Test (0,73 USD für einen Test und eine Positivkontrolle)22, selbst im Labor (d. h. nicht im Produktionsmaßstab). Dadurch sind sie günstig mit den Kosten von vor Ort einsetzbaren Goldstandard-Technologien vergleichbar (0,89 USD, Ergänzungstabelle 1).

Für den Nachweis von Fluorid wurde ein natürlich vorkommender Fluorid-Sensormechanismus aus Bacillus cereus erfolgreich in einen Biosensor integriert, der in der Lage ist, Fluoridspiegel von nur 1 ppm zu erkennen, und in einen Fluoridtest am Einsatzort integriert20. Dieser Test besteht aus einer gefriergetrockneten Biosensorreaktion, die bei Rehydrierung mit einer interessierenden Wasserprobe in Gegenwart von Fluorid innerhalb von Stunden eine sichtbare gelbe Farbe erzeugt (Abb. 1). Dieser zellfreie Fluorid-Biosensortest wurde zunächst in einer Studie in Cartago, Costa Rica20, einer Feldstudie unterzogen, einer Region mit erhöhten geogenen Fluoridwerten aufgrund ihrer Nähe zum Irazu-Vulkan, einer bekannten Quelle fluoridierter Salze23. In dieser Studie wurden Tests in Illinois hergestellt und an Bord eines Verkehrsflugzeugs zum Einsatzort transportiert. Tests von neun verschiedenen Grund- und Oberflächenwasserquellen durch einen Doktoranden ergaben, dass die Positivkontrollen in allen Fällen funktionierten, was bestätigte, dass die grundlegende Biochemie der Tests robust gegenüber Herstellung, Transport und Feldeinsatz war. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass zwei Proben nachweisbare Mengen an Fluorid aufwiesen. Obwohl diese Studie vielversprechend war, wurde sie durch die geringe Anzahl getesteter Feldproben und, was noch wichtiger ist, durch die Tatsache begrenzt, dass die Tests von einem einzelnen Benutzer mit Fachkenntnissen in Labortechniken und Testbetrieb durchgeführt wurden. Um die Benutzerfreundlichkeit zu beurteilen, müssen Tests von Laien und in einer ausreichend großen Stichprobengröße durchgeführt werden, um Sensitivität und Spezifität zu berechnen.

Eine Sensorreaktion wird vorbereitet, gefriergetrocknet und dann mit einer interessierenden Probe rehydratisiert. In Gegenwart von Fluorid findet eine enzymatische Reaktion statt, die bei der Reaktion ein farbloses Substrat in ein gelbes Produkt umwandelt.

Wir haben daher die Genauigkeit und Verwendbarkeit von biotechnologisch hergestellten Fluoridtests am Einsatzort im Nakuru County, Kenia, untersucht, einer Region mit bekannter geogener Fluoridkontamination24,25. Insbesondere wollten wir die Testgenauigkeit bewerten, gemessen an der Fähigkeit, schädliche Fluoridwerte (von der WHO auf ≥1,5 ppm6 festgelegt) im Vergleich zur Photometrie, einer Goldstandardmethode (Ziel 1), richtig zu erkennen. Wir haben auch die Benutzerfreundlichkeit getestet, bewertet anhand der gemeldeten Benutzererfahrungen mit der Rehydrierung und der Interpretation der Tests (Ziel 2).

Wir haben ein Mitglied jedes teilnehmenden Haushalts befragt, um Informationen zur Soziodemografie zu sammeln. Trinkwasserquellen; Wissen, Einstellungen und Verhaltensweisen zu Fluorid und Fluorose; und Erfahrungen mit Wasserunsicherheit im Haushalt. Anschließend haben wir die Genauigkeit des Biosensortests charakterisiert, indem wir jeden Teilnehmer gebeten haben, bis zu drei Haushaltswasserquellen bereitzustellen und diese mit dem Biosensor am Einsatzort zu testen. Am selben Tag wurde eine zweite Umfrage mit demselben Teilnehmer durchgeführt, um seine Erfahrungen mit der Verwendung und Interpretation der Ergebnisse des Biosensor-Tests zu bewerten und Fluoridkonzentrationen zu ermitteln und weiterzugeben, die mit einer Goldstandardmethode, d. h. einem Fluoridphotometer, ermittelt wurden. Die Datenerfassung wird in der ergänzenden Abbildung 1 grafisch beschrieben.

Insgesamt wurden 90 Wasserproben von 52 Teilnehmern entnommen. Für alle 52 Teilnehmer waren soziodemografische Daten sowie Kenntnisse, Einstellungen und Verhaltensweisen im Zusammenhang mit Fluorid und Erfahrungen mit Wasserunsicherheit verfügbar. Die für die Bewertung der Testgenauigkeit (Ziel 1) und Interpretation (Ziel 2) verfügbare Probengröße betrug 57 Wasserproben aus 36 Haushalten. Die Anzahl der Proben wurde von 90 auf 57 reduziert, da die Versandbedingungen für die erste Testcharge zu einer Testverschlechterung führten und sie daher für die Bewertung von Genauigkeit und Verwendbarkeit ungeeignet machten (siehe „Versand von Testkits nach Nakuru County, Kenia“).

An der Studie nahmen Teilnehmer mit unterschiedlichem Bildungs- und Beschäftigungshintergrund, unterschiedlicher Haushaltsgröße und unterschiedlichem Ausmaß an Wasserunsicherheit teil (Tabelle 1). Die Mehrheit der 52 Teilnehmer waren Frauen (73,1 %), mit einem Durchschnittsalter von 41 Jahren. Etwa die Hälfte der Teilnehmer hatte zumindest einen Teil der Sekundarschulbildung abgeschlossen. Die Berufe der Teilnehmer ließen sich größtenteils in drei große Kategorien einteilen: Landwirtschaft, Kleinunternehmen, z. B. Marktstände, oder Arbeitslose. Das monatliche Haushaltseinkommen lag zwischen 0 und 9500 KES (Median 8,60 USD). Die mittlere Haushaltsgröße betrug 5 Personen; Fast die Hälfte der Haushalte hatte Kinder unter fünf Jahren. Ungefähr ein Viertel der Haushalte war unsicher in Bezug auf die Wasserversorgung (HWISE-Score ≥12), das heißt, sie hatten Schwierigkeiten, zuverlässig Zugang zu Wasser zu haben, um den Grundbedarf im Haushalt zu decken.

Die meisten Teilnehmer (73,1 %) wussten über Fluorid Bescheid; Sie bezeichneten es im Allgemeinen als „Salz“ oder „Mineral“, das im Wasser vorkommt. Darüber hinaus erwähnten 7 Teilnehmer, dass Fluorid unaufgefordert die Zahn- und Skelettgesundheit beeinträchtigt. Auf Nachfrage identifizierten die meisten (90,4 %) Teilnehmer einige oder alle Symptome einer Fluorose und den ursächlichen Zusammenhang zwischen Gesundheitsproblemen und Fluoridexposition richtig. Die Mehrheit der Teilnehmer (71,2 %) kannte mindestens eine Person, die von Fluorose betroffen war.

Diesem Wissen steht ein vergleichsweise mangelndes Verständnis dafür gegenüber, wie man Maßnahmen gegen die Fluoridbelastung ergreifen kann: 42,3 % der Teilnehmer gaben an, nicht zu wissen, wie sie Fluorose verhindern können, und 34,6 % gaben an, nicht zu wissen, wie sie sie behandeln sollten . Bemerkenswert ist, dass zwar etwa die Hälfte (48,1 %) der Teilnehmer richtig angab, dass die Nutzung alternativer Wasserquellen und die Wasseraufbereitung Methoden zur Vorbeugung von Fluorose seien, weniger Teilnehmer (26,9 %) verstanden jedoch, dass Fluorose nur mit medizinischer und zahnärztlicher Betreuung behandelt werden kann. Die am häufigsten gegebene falsche Antwort zur Vorbeugung und Behandlung von Fluorose war das Zähneputzen.

Obwohl die Teilnehmer berichteten, dass sie sich bemühten, Fluorid zu vermeiden, stellte Fluorose kein großes Problem dar; 71,2 % der Teilnehmer gaben an, dass sie sich nie oder selten Sorgen wegen einer Fluorose machten. Von den 33 Teilnehmern (63,5 %), die angaben, Vorkehrungen gegen Fluorose zu treffen, gaben die meisten (n = 27) an, allgemein wirksame Methoden anzuwenden, darunter die Nutzung von Wasserquellen, von denen nicht bekannt war, dass sie kontaminiert sind, die Verdünnung von Bohrlochwasser mit Regenwasser oder die Aufbereitung von Wasserquellen Wasser trinken. Allerdings gaben 5 Teilnehmer (9,6 %) an, ihr Trinkwasser abzukochen, was den Fluoridgehalt nicht verringert. Die vollständigen Umfrageantworten finden Sie unter „Datenverfügbarkeit“.

Insgesamt wurden 57 Proben aus 36 Haushalten auf Testgenauigkeit analysiert (Methoden, Tabelle 2). Der Großteil dieser Wasserproben stammte aus Bohrlöchern (49,1 %), Regenwassersammlungen (19,3 %) oder geschützten gegrabenen Brunnen (17,5 %). Der Großteil der bereitgestellten Proben (84,2 %) wurde zum Kochen, Trinken oder für beides verwendet, aber nur sehr wenige (7,0 %) wurden zur Reduzierung von Fluorid behandelt. Die Wasserstellen befanden sich nicht weit von den Haushalten entfernt; Die durchschnittliche Zeit zum Sammeln von Wasser betrug etwa 5 Minuten hin und zurück.

Obwohl die Teilnehmer nur in 10 der 57 Proben über erhöhte Fluoridwerte besorgt waren, ergab die Fluorimeteranalyse durch Außendienstmitarbeiter, dass 45 Fluoridwerte ≥ 1,5 ppm (78,9 %) aufwiesen, was auf eine hohe Prävalenz von geogenem Fluorid im Trinkwasser hinweist (Tabelle 2 und 2). Abb. 2a). Auch die gemessenen Fluoridwerte waren hoch, mit mittleren und mittleren Fluoridkonzentrationen von 6,0 bzw. 5,8 ppm. Bei den meisten der 12 nicht kontaminierten Proben handelte es sich um Regenwasser (83,3 %), während die meisten der 45 kontaminierten Quellen aus Bohrlöchern (53,3 %), geschützten gegrabenen Brunnen (22,2 %) oder mit Bohrlochwasser vermischtem Regenwasser (11,1 %) stammten (Ergänzungstabelle 2). ).

a Verteilung der Fluoridkonzentrationen in 57 Wasserproben, gemessen mit einem Fluorimeter. Die rote gestrichelte Linie gibt die WHO-Richtlinie für erhöhte Werte von ≥1,5 ppm an. b Repräsentative Bilder von richtig positiven, falsch positiven, richtig negativen und falsch negativen Testergebnissen. Die Fotos sind mit Fluoridkonzentrationen versehen, die mit einem Fluorimeter gemessen wurden. c Eine Verwirrungsmatrix der Testergebnisse. „Tatsächlich“ bezieht sich auf die Einstufung durch das Fluorimeter als positiv (≥1,5 ppm Fluorid) oder negativ (<1,5 ppm Fluorid). „Vorhergesagt“ bezieht sich auf die Testleistung des Biosensors. „Negativ“ bedeutet, dass keine Farbveränderung beobachtet wurde, und „Positiv“ bedeutet, dass eine gelbe Farbe sichtbar war. Echt-Positive und Echt-Negative sind grau schattiert, während Falsch-Positive und Falsch-Negative weiß dargestellt sind. d Empfänger-Betriebskennlinie, abgeleitet aus den Klassifizierungen in Tafel c. Die Sensitivität wird als (richtig positiv)/(wahr positiv + falsch negativ) berechnet und die Spezifität wird als (wahr negativ)/(wahr negativ + falsch positiv) berechnet.

Sechs Stunden nachdem die Biosensor-Tests von den Studienteilnehmern rehydriert wurden, stuften die Außendienstmitarbeiter die Ergebnisse als positiv für Fluorid ein, wenn eine gelbe Farbe beobachtet wurde, und als negativ für Fluorid, wenn keine Farbveränderung beobachtet wurde. Der Vergleich dieser Beobachtungen mit den Ergebnissen des Fluorimeters ermöglichte die Klassifizierung der Tests als richtig positiv (gelb, mit gemessenem Fluorid ≥1,5 ppm), falsch positiv (gelb, gemessenes Fluorid <1,5 ppm), richtig negativ (farblos, gemessenes Fluorid <1,5 ppm). , falsch negativ (farblos, gemessenes Fluorid ≥1,5 ppm) (Abb. 2b). Die Tabellierung dieser Ergebnisse in einer Verwirrungsmatrix ergab, dass die Biosensortests 51 Proben (89,5 %) richtig und 6 Proben (10,5 %) falsch klassifizierten (Abb. 2c). Die Testsensitivität betrug daher 93,3 % (95 %-KI 81,7 % bis 98,6 %) und die Spezifität 75,0 % (95 %-KI 42,8 % bis 95,5 %). Die Darstellung dieser Daten auf einer Empfängerbetriebskurve ergab eine Fläche unter der Kurve von 0,842 (Abb. 2d).

Wir haben bei den falsch klassifizierten Wasserproben keine Muster hinsichtlich der Wasserquelle oder -aufbereitung festgestellt. Darüber hinaus beobachteten wir, dass fast ein Fünftel (n = 10, 17,5 %) der positiven Kontrollreaktionen nicht aktiviert wurden (Ergänzungstabelle 2). Wir haben keine gemeinsamen Merkmale zwischen den Proben mit fehlgeschlagenen Positivkontrollen beobachtet. Darüber hinaus waren bei einigen wirklich positiven Tests die Kontrollen fehlgeschlagen, was darauf hindeutet, dass das Fehlschlagen der Positivkontrolle für eine bestimmte Probe nicht unbedingt mit einer falschen Klassifizierung durch den Test korrelierte.

Um die Benutzerfreundlichkeit zu bewerten, haben wir die 36 Teilnehmer, die Wasserproben zur Genauigkeit bereitgestellt haben (Ziel 1), nach ihren Erfahrungen mit der Rehydrierung und der Testinterpretation der Tests gefragt. Alle Teilnehmer konnten erfolgreich Wasser mit einer Mikropipette in das PCR-Röhrchen übertragen (Abb. 3, links), obwohl zwei Benutzer (5,6 %) Schwierigkeiten hatten, das Wasser abzugeben. Aufgrund von Einschränkungen vor Ort, insbesondere der Entfernung zwischen den Häusern der Teilnehmer und den Aufenthaltsorten der Außendienstmitarbeiter, war es den Außendienstmitarbeitern nicht möglich, nach 6 Stunden physisch bei allen Teilnehmern anwesend zu sein, um die Testergebnisse zu lesen, sodass einige Teilnehmer gebeten wurden, zu beurteilen, ob sie anwesend waren kam es zu einem Farbumschlag, bevor die Reaktion abgeschlossen war (Abb. 3, rechts). Zum Zeitpunkt der Auslesung beobachteten wir jedoch eine Übereinstimmung zwischen Teilnehmern und Außendienstmitarbeitern in ihrer Einschätzung des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins einer gelben Farbe in allen bis auf eine der 57 Proben, die für die Bewertung der Testinterpretation verwendet wurden (98,2 %) (Datenverfügbarkeit). Es gab keine Unterschiede in der Benutzerfreundlichkeit aufgrund soziodemografischer Merkmale oder aufgrund von Erfahrungen oder Kenntnissen, Einstellungen und Verhaltensweisen im Zusammenhang mit Fluorose oder Wasserunsicherheit im Haushalt.

Die beiden wichtigsten Benutzeraktivitäten für die Durchführung der Tests sind die Testrehydrierung, bei der eine Mikropipette verwendet wird, um eine Wasserprobe in einen Mikrotubulus zu übertragen (links), und die Ergebnisinterpretation, bei der der Benutzer feststellt, ob eine gelbe Farbe aufgetreten ist (rechts).

In der unseres Wissens nach ersten Beschreibung des Feldeinsatzes und der Durchführung eines Biosensortests durch nicht fachkundige Benutzer haben wir festgestellt, dass ein Fluorid-Biosensortest am Einsatzort eine Reihe positiver Eigenschaften aufwies. Unser erstes Ziel war die genaue Erkennung von Fluorid unter Feldbedingungen und die korrekte Klassifizierung von 89,5 % der 57 Proben. Die Sensitivität betrug 93,3 %, die Spezifität 75,0 %, sodass die Fläche unter der Empfänger-Betriebs-Kennlinie 0,842 betrug, was bedeutet, dass eine Wahrscheinlichkeit von 84,2 % besteht, dass der Test eine Fluoridkontamination über dem WHO-Grenzwert von ≥ 1,5 ppm korrekt vorhersagt. Werte der Fläche unter der Kurve zwischen 0,8 und 0,9 gelten im Allgemeinen als „ausgezeichnet“26.

Für unser zweites Ziel waren diese Tests sehr nützlich. Alle Teilnehmer waren in der Lage, die Tests zu hydrieren, und unter den 57 Proben, die zur Beurteilung der Testinterpretation verwendet wurden, gab es nur einen Test mit einer Diskrepanz zwischen der Interpretation des Studienpersonals und der Teilnehmer. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Teilnehmer in der Lage waren, gesundheitsrelevante Fluoridkonzentrationen in den Wasserquellen ihres eigenen Haushalts korrekt zu bestimmen, was darauf hindeutet, dass die Tests hervorragend anwendbar waren.

Diese Tests decken einen großen ungedeckten Bedarf zur Bestimmung des Fluoridgehalts von Trinkwasser außerhalb einer Laborumgebung. Im Vergleich zu den Goldstandard-Labormethoden Ionenchromatographie und Ionensensorelektroden ermöglicht dieser Biosensor Fluoridtests, ohne dass eine ressourcenintensive Infrastruktur oder geschultes Personal erforderlich ist. Selbst im Vergleich zu Goldstandard-Point-of-Use-Tests wie tragbaren Elektroden oder dem in dieser Studie verwendeten Fluoridphotometer weist der Biosensor eine einfachere Funktionsweise und geringere Kosten pro getesteter Probe auf. Tatsächlich ist diese Methode mit 0,73 USD pro Test (einschließlich einer Positivkontrolle), der im Labormaßstab hergestellt wird (Ergänzungstabelle 1), finanziell mit bestehenden Technologien konkurrenzfähig; Durch Scale-up könnten die Kosten weiter gesenkt werden.

Bemerkenswerterweise ergaben diese Tests eine weitaus höhere Prävalenz erhöhter Fluoridwerte als von den Teilnehmern erwartet. Dies deutet darauf hin, dass solche Tests Fluorid in anderen Gebieten nachweisen könnten, die möglicherweise von geogenem Fluorid betroffen sind. Sie können auch bei groß angelegten Umfragen zur menschlichen Gesundheit, zum Wohlbefinden und/oder zur Wassersicherheit nützlich sein, wie sie beispielsweise von der Weltbank, Gallup Poll und der United States Agency for International Development durchgeführt werden. Sie könnten auch in Gebieten wertvoll sein, in denen Fluorid nachweislich vorhanden ist, da sie die Wassersicherheit messen können, nachdem Maßnahmen zur Fluoridentfernung ergriffen wurden. Die Biosensor-Tests identifizierten beispielsweise gefährliche Fluoridwerte in Bohrlochwasserproben, selbst nachdem diese mit Regenwasser verdünnt worden waren, um den Fluoridgehalt zu reduzieren.

Die Verschlechterung der ersten Testreihe machte deutlich, dass die Genauigkeit von Biosensoren am Einsatzort anfällig für Schäden durch die Einwirkung extremer Temperaturen ist. Für den Masseneinsatz ist es erforderlich, durch eine Erhöhung der Temperaturstabilität des Sensors eine echte Unabhängigkeit von der Kühlkette zu erreichen. Dies ist besonders wichtig, da viele Regionen mit endemischer Grundwasserverschmutzungsgefahr – zum Beispiel Kenia25, Indien27, Pakistan28, Bangladesch29 und andere – ein heißes Klima haben. Einer der vielversprechendsten Wege zur Erhöhung der Temperaturstabilität ist die Zugabe von Verbindungen, die Lyoprotektoren genannt werden und das System beim Gefriertrocknen stabilisieren. Einige In-vitro-Genexpressionsreaktionen können ihre Integrität bei 50 °C bis zu einem Monat aufrechterhalten, wenn sie mit geeigneten Lyoprotektoren ergänzt werden, obwohl ähnliche Studien bei Biosensorreaktionen nicht durchgeführt wurden30. Die Optimierung des Lyophilisierungsprozesses im Hinblick auf Temperaturstabilität und Haltbarkeit führt daher zu einer erheblichen Verbesserung der Robustheit des Sensors und gewährleistet genaue Wasserqualitätsdaten in den Bereichen, in denen sie am meisten benötigt werden.

Darüber hinaus ist die kontinuierliche Einbeziehung geeigneter Kontrollreaktionen für die Testgenauigkeit wichtig. Kontrollreaktionen zeigen nicht nur Testfehler an, sondern sind auch wichtig für die Kontrolle von Änderungen im Reaktionsverhalten, die durch Schwankungen der Umgebungstemperatur verursacht werden. Während Temperaturänderungen keinen Einfluss auf die Empfindlichkeit oder Spezifität der Tests haben, würden sie sich auf die Reaktionsgeschwindigkeit und damit auf die Zeit bis zum Nachweis auswirken. Zur Verbesserung der Genauigkeit können andere Ansätze genutzt werden, beispielsweise die Entwicklung von Kalibrierungsansätzen, die die Variabilität aufgrund von Reaktionsinhibitoren kontrollieren können, die in einigen Proben vorhanden sein können31.

Es gibt mehrere vielversprechende Möglichkeiten, die Benutzerfreundlichkeit dieser Tests zu verbessern. Einerseits wäre eine kürzere Zeit bis zum Ergebnis weniger belastend für die Teilnehmer, die gebeten wurden, sich stündlich die Testfarbe anzusehen. Sollten in anderen Umgebungen Probleme mit der Mehrdeutigkeit von Farbänderungen auftreten, könnten diese durch die Verwendung alternativer kolorimetrischer Reporter und Substrate32 gelöst werden, um lebendigere Ergebnisse zu erzeugen. Darüber hinaus wird die Entwicklung speziell entwickelter Tools zur Rehydrierung der gefriergetrockneten Tests und zur Erleichterung der Interpretation ihrer Ergebnisse die Benutzererfahrung erheblich verbessern. Für eine klarere Interpretation könnten die Tests beispielsweise in einen Lateral-Flow-Assay33 integriert werden, wie er beispielsweise bei Schwangerschaftstests zu Hause verwendet wird. Zukünftige Tests sollten auch die Testcharakterisierung in einer größeren Vielfalt von Wasserquellen umfassen, insbesondere in sauren, alkalischen oder mineralreichen Proben, die die für die Sensoraktivierung erforderlichen biologischen Prozesse hemmen können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Fähigkeit eines Biosensortests, mit Fluorid ≥ 1,5 ppm verunreinigtes Wasser korrekt zu identifizieren, ein enormes Potenzial für einen neuen Ansatz zur Wasserqualitätsdiagnose darstellt, der weitaus weniger Ausrüstung, Fachwissen, Infrastruktur und Betriebskosten erfordert. Tatsächlich legt die jüngste Charakterisierung biologischer Mechanismen zur Erkennung anderer vorrangiger Schadstoffe wie Blei34, Kupfer35, Nitrite36 und Arsen37 die Möglichkeit analoger Point-of-Use-Tests38 für alle diese Analyten nahe. Die Genauigkeit, Einfachheit, Schnelligkeit, die relativ geringen Kosten und die praktische Anwendbarkeit dieser Tests würden eine breite Implementierung erleichtern und dadurch das Wissen über Wassersicherheit für alle demokratisieren.

Das DNA-Plasmid, das für den in dieser Studie verwendeten Fluorid-Biosensor kodiert, wurde mithilfe der Gibson-Assembly (New England Biolabs, Kat.-Nr. E2611S) zusammengesetzt und mit einem Qiagen QIAfilter Midiprep Kit (QIAGEN, Kat.-Nr. 12143) gereinigt. Seine kodierende Sequenz besteht aus dem crcB-Fluorid-Riboschalter von Bacillus cereus, der die Produktion des Enzyms Catechol-2,3-Dioxygenase reguliert und alle unter dem konstitutiven E. coli-Sigma-70-Konsensus-Promotor J2311939 exprimiert wird. Eine vollständige Sequenz des verwendeten Plasmids ist auf Addgene unter der Zugangsnummer 128810 (pJBL7025) verfügbar [https://www.addgene.org/128810/].

Die in den Tests verwendeten zellfreien Biosensorreaktionen wurden gemäß zuvor festgelegten Protokollen durchgeführt20,40. Kurz gesagt bestehen Reaktionen aus gereinigtem Zellextrakt, einer Reagenzienmischung, die Aminosäuren, Puffersalze, Crowding-Mittel, enzymatisches Substrat und eine Energiequelle enthält, sowie einer reaktionsspezifischen Mischung aus Template-DNA und Natriumfluorid in einem Verhältnis von etwa 30/30/40 Verhältnis (Ergänzungstabelle 3). Testreaktionen enthielten kein Natriumfluorid, während positive Kontrollreaktionen mit 1 mM Natriumfluorid ergänzt wurden, um die Genexpression zu induzieren. Die Matrizen-DNA-Konzentration für beide Reaktionssätze betrug 5 nM, bestimmt durch die maximale Matrizenkonzentration, bei der in Abwesenheit von Fluorid keine Farbänderung beobachtet wurde.

Während des Reaktionsaufbaus wurden Mastermischungen aus Zellextrakt, Reagenzienmischung und Template-Mischung sowohl für Test- als auch für Positivkontrollreaktionen in 1,7-ml-Mikrozentrifugenröhrchen hergestellt. Die einzelnen Reaktionen wurden dann zur Lyophilisierung in PCR-Röhrchenstreifen in 20-µL-Volumina aufgeteilt. Nach der Aliquotierung auf Eis wurden die Deckel der PCR-Röhrchen mit einer Nadel durchstochen, die Streifen in Aluminiumfolie eingewickelt und die eingewickelten Streifen dann etwa 3 Minuten lang zum Gefriertrocknen in flüssigen Stickstoff getaucht. Die Reaktionen wurden sofort in einen Labconco FreeZone 2,5 Liter −84 °C Tisch-Gefriertrockner (Kat.-Nr. 710201000) mit einer Kondensatortemperatur von −84 °C und einem Druck von 0,04 mbar überführt und über Nacht (≥16 h) gefriergetrocknet.

Nach dem Gefriertrocknen wurden die Tests vakuumversiegelt (KOIOS Vacuum Sealer Machine, Amazon, Amazon Standard Identification Number (ASIN) B07FM3J6JF) in einem Lebensmittelbeutel (KOIS Vacuum Sealer Bag, Amazon, ASIN B075KKWFYN) zusammen mit einem Trockenmittel (Dri- Karten-Trockenmittel, Uline, Kat.-Nr. S-19582) (Ergänzende Abbildung 3). Die vakuumversiegelten Reaktionen wurden dann in einem lichtgeschützten Außenbeutel (Mylar-Lebensmittelbeutel mit offenem Ende, Uline, Kat.-Nr. S-11661) aufbewahrt und vor dem Versand impulshitzeversiegelt (Metronic 8-Zoll Impulse Bag Sealer, Amazon, ASIN B06XC76JVZ). . Die Tests wurden außerdem mit Einweg-20-µL-Mikropipetten (MICROSAFE® 20 µL, Safe-Tec LLC, Kat.-Nr. 1020) für den Feldeinsatz versandt.

Mit einer ersten Lieferung von Biosensortests wurden 33 Wasserproben aus den ersten 16 befragten Haushalten untersucht. Alle diese Tests ergaben eine schwach gelbe Farbe, unabhängig von der Wasserquelle oder der mittels Fluorimeter ermittelten Fluoridkonzentration. Dies wurde wahrscheinlich durch die thermische Verschlechterung der Tests während des Versands mit der Handelsschifffahrtsagentur verursacht. Während in früheren Studien eine Lagerstabilität von bis zu einem Jahr angegeben wurde20,41, wurden diese Zahlen aus der Lagerung unter temperaturkontrollierten Laborbedingungen abgeleitet. Kommerzielle Versandrouten von Illinois, USA, nach Nairobi, Kenia, führen für diese spezielle Sendung durch extrem heiße Regionen, z. B. Dubai. Diese Bedingungen unterschieden sich stark von denen in der Usability-Studie der vorherigen Studie in Costa Rica, bei der die Tests auf dem kommerziellen Luftweg mit schonenderen Versand- und Lagerbedingungen transportiert wurden20. Eine Laboruntersuchung der Testtemperaturstabilität ergab, dass erhöhte Lagertemperaturen tatsächlich dazu führen können, dass sich die Testkomponenten zersetzen, was zu einer schwach gelben Farbe bei der Rehydrierung führt, was mit Feldbeobachtungen übereinstimmt (ergänzende Abbildung 2).

Die nächste Testcharge wurde daher am 25. Januar 2022 gekühlt versandt, was unserer Hypothese nach die Haltbarkeit der Tests verlängern würde, um sie an frühere Erkenntnisse anzupassen. Nachdem die Tests durchgeführt und verpackt worden waren, wurden sie in einen mit Polystyrolschaum ausgekleideten Behälter gegeben, bevor sie mit einem NanoCool-Kühlsystem (Peli BioThermal) abgedeckt wurden. Anschließend wurde der Container verschlossen und mit einem üblichen kommerziellen Versanddienst versandt. Diese Testreihe wurde bis zur Freigabe am 28. Februar 2022 gekühlt im Zoll aufbewahrt. Diese Tests wurden vom 5. bis 14. März 2022 vor Ort eingesetzt, um die in diesem Manuskript berichteten Daten zur Testgenauigkeit zu generieren.

Da Verfärbungen aufgrund thermischer Zersetzung den beabsichtigten Gelbton in Gegenwart von Fluorid verfälschen könnten (dh falsch positive Ergebnisse), haben wir die Testgenauigkeit nur anhand von Tests beurteilt, die während des Versands und Transports zu den Häusern der Teilnehmer gekühlt waren. Die 33 Wasserproben der ersten 16 Haushalte wurden daher von der Analyse der Testgenauigkeit ausgeschlossen.

Die Teilnehmer wurden aus sechs Unterorten (Kelelwet, Kipsimbol, Kigonor, Parkview, Lalwet und Mwariki) im Bezirk Barut im Nakuru County rekrutiert (ergänzende Abbildung 4, geografische Informationen angepasst von OpenStreetMap42). Dieser Standort wurde vom Studienteam aufgrund der hohen Fluoridwerte und der Vertrautheit mit den Gemeinden ausgewählt.

Bevor Daten gesammelt wurden, fanden an jedem Unterstandort Gemeindetreffen statt, um Studienziele und -ziele zu besprechen. Nachdem die Gemeinde und die stellvertretenden Vorsteher des Dorfes die Erlaubnis für die Durchführung von Recherchen erhalten hatten, wurden Mobilisierer der örtlichen Gemeinde damit beauftragt, bei der Identifizierung von Haushalten zu helfen, die für eine Teilnahme in Frage kamen. Personen, die 18 Jahre oder älter waren, seit mehr als drei Monaten im Nakuru-Land lebten, auf lokale Wasserquellen als Trinkwasser angewiesen waren, ein Kind im Haushalt hatten, bereit waren, die Wassersituation im Haushalt zu besprechen und eine Probe jeder Quelle zur Verfügung zu stellen Wasser im Haushalt für Fluoridtests geeignet waren. Wir wollten aus jedem der fünf Unterstandorte 10–12 Teilnehmer rekrutieren, um eine Reihe soziodemografischer Merkmale und Trinkwasserquellen sicherzustellen. Die Anwesenheit eines Kindes war ein Kriterium, um das Gemeinschaftsverständnis über Fluorose bei Kindern zu klären.

Nach Einholung einer schriftlichen Einwilligung nahmen die Teilnehmer an einer 30-minütigen Umfrage teil (siehe ergänzende Abbildung 1 für einen grafischen Überblick über die Datenerfassung). Zu den Themen gehörten soziodemografische Informationen zu Haushalten, Wissen, Einstellungen und Verhaltensweisen in Bezug auf Fluorid und Fluorose sowie die Wasserunsicherheit in Haushalten anhand der validierten Skala „Household Water Insecurity Experiences“ (HWISE)43. Die 12 HWISE-Elemente fragen die Häufigkeit von Erfahrungen mit Wasserunsicherheit im Vormonat ab; „nie“ wird mit 0 bewertet, „oft/immer“ mit 3, für einen Bereich von 0–36. Diese Daten wurden gesammelt, um untersuchen zu können, ob die Benutzererfahrungen oder Einstellungen zu Tests je nach Erfahrung mit Fluorose oder Wasserunsicherheit variieren. Die Teilnehmer wurden außerdem nach der Anzahl ihrer Wasserquellen und ihrer Bereitschaft zur Bereitstellung und Testung von Wasserproben gefragt. Die Umfrageantworten wurden mithilfe des Open Data Kit (ODK)44 auf Tablets aufgezeichnet.

Nach Abschluss der Umfrage stellten die Teilnehmer 1–3 Wasserproben aus verschiedenen Haushaltsquellen zur Verfügung. Anschließend erhielten sie eine kurze (ca. 5 Minuten) Erläuterung des Testverfahrens und testeten anschließend ihre eigenen Haushaltsproben mit den Fluorid-Biosensor-Tests. Jeder Test bestand aus einem Mikroröhrchen, das eine Positivkontrolle darstellte, und einem zweiten Mikroröhrchen, in dem die interessierende Probe getestet wurde. Um ihre Proben zu testen, nahmen die Teilnehmer die Tests zunächst aus dem lichtschützenden Folienbeutel und dem vakuumversiegelten Beutel mit Trockenmittel, die beide dann entsorgt wurden (ergänzende Abbildung 3). Anschließend wurde eine Mikropipette mit 20 µL Wasser gefüllt, indem sie langsam bis zur Fülllinie eingetaucht wurde. Um das Wasser abzugeben, wurden Daumen und Zeigefinger verwendet, um die Löcher in der Mikropipette abzudecken, während mit der anderen Hand der Kolben zusammengedrückt wurde. Anschließend wurden die Reaktionen bis zu sechs Stunden lang bei Umgebungstemperatur inkubiert, bei sichtbarer Farbveränderung auch kürzer. Während dieser Inkubationszeit wurden die Teilnehmer gebeten, stündlich zu überprüfen, ob sich die gelbe Farbe änderte, und die dafür benötigte Zeit zu notieren. Es wurde erwartet, dass die Tests gelb werden, wenn der Fluoridgehalt ≥ 1,5 ppm beträgt, wobei es bei Tests mit Wasser unter diesem Wert zu keiner Farbveränderung kommt. Es wurde erwartet, dass alle Positivkontrollen gelb werden. Die Farbänderung wurde abgelesen, nachdem die Reaktionen zum visuellen Kontrast vor einen weißen Hintergrund gestellt wurden.

Das Studienteam kehrte zurück, um eine zweite Umfrage zu den Benutzererfahrungen mit dem Testprozess durchzuführen und die Wasserproben innerhalb von 6 Stunden mit dem Goldstandard-Photometer zu testen. Die Teilnehmer wurden zu ihren Erfahrungen mit dem Testverfahren sowie zu ihrer Interpretation der Farbe der Ergebnisse der Proben- und Kontrolltests befragt. Zu diesem Zeitpunkt wurden auch Fotos der abgeschlossenen Reaktionen gemacht. Schließlich wurden vom Feldteam quantitative Fluoridmessungen mit einem Hanna Instruments Fluoride High Range Photometer Kit (Kat.-Nr. HI97739C) durchgeführt, einer Goldstandardmethode zur Beurteilung der Genauigkeit der biotechnologischen Tests. Die Ergebnisse der Photometrie zu tatsächlich gemessenen Fluoridkonzentrationen in Wasserproben wurden den Teilnehmern mitgeteilt und erklärt. Am Ende der zweiten Umfrage erhielt jeder Teilnehmer 500 KES (4,30 USD) als Vergütung für die Zeit und Mühe, die er für die Teilnahme an der Forschung aufgewendet hatte. Jeder teilnehmende Haushalt erhielt außerdem einen Keramik-Trinkwasserfilter.

Die Daten wurden vom 16. bis 23. November 2021 und vom 5. März bis 14. März 2022 gesammelt. Während der Vermessung und Wassertests hielten Teilnehmer und Forschungsassistenten die COVID-19-Protokolle gemäß den örtlichen Richtlinien ein. Das Studienpersonal wurde nach jedem Haushaltsbesuch geimpft, hielt angemessene soziale Distanz ein, desinfizierte die Hände und reinigte Feldgeräte.

Die Daten wurden zur Analyse aus ODK in Microsoft Excel exportiert. Grundlegende deskriptive Statistiken wurden durchgeführt, um die soziodemografischen Merkmale der Teilnehmer und ihre Erfahrungen mit der Benutzerfreundlichkeit zu beschreiben, einschließlich der Frage, ob die Interpretation der Farbveränderung durch die Teilnehmer mit der des Studienpersonals übereinstimmte. Offene Items zu Wissen, Einstellungen und Verhalten zu Fluorid und Fluorose wurden thematisch gruppiert und von zwei Autoren unabhängig voneinander kodiert. Wissensbezogene Antworten wurden als „richtig“ charakterisiert, wenn sie mit dem konventionellen biomedizinischen Verständnis übereinstimmten, „falsch“ oder ungewohnt waren.

Tests wurden vom in Kenia ansässigen Feldteam als „EIN“ eingestuft, wenn sie nach sechs Stunden sichtbar gelb waren, und als „AUS“, wenn mit dem Auge keine Farbveränderung erkennbar war. Diese Bewertungen wurden vom in den USA ansässigen Team anhand von Fotos der abgeschlossenen Tests unabhängig validiert. Als „EIN“ eingestufte Tests wurden als richtig positiv gewertet, wenn sie einer mit einem Photometer gemessenen Fluoridkonzentration von ≥ 1,5 ppm entsprachen, und als falsch positiv, wenn sie einer mit einem Photometer gemessenen Fluoridkonzentration von < 1,5 ppm entsprachen. Als „AUS“ eingestufte Tests wurden als richtig negativ markiert, wenn sie einer mit einem Photometer gemessenen Fluoridkonzentration < 1,5 ppm entsprachen, und als falsch positiv, wenn sie einer mit einem Photometer gemessenen Fluoridkonzentration ≥ 1,5 ppm entsprachen. Die Sensitivität wurde durch das Verhältnis von richtig positiven Ergebnissen zu insgesamt positiven Messungen (kombinierte wahr und falsch positive Ergebnisse) bestimmt, während die Spezifität durch das Verhältnis von wirklich negativen Ergebnissen zu insgesamt negativen Messungen (kombinierte wahr und falsch negative Ergebnisse) bestimmt wurde berechnet in Stata45. Konfidenzintervalle für Sensitivität und Spezifität wurden mithilfe des diagt-Moduls in Stata unter Verwendung der Zählungen von richtig positiven, wahr negativen, falsch positiven und falsch negativen Ergebnissen berechnet.

Unsere angestrebte Stichprobengröße zur Ermittlung der Testgenauigkeit (Ziel 1) betrug 65, basierend auf der beobachteten Sensitivität von 0,93 und der beobachteten Prävalenz von 0,7846. Obwohl wir 90 Wasserproben erhielten, waren nur 57 für diese Analyse geeignet (siehe „Versand des Testkits nach Nakuru County, Kenia“); Mit dieser Stichprobengröße wurden immer noch robuste Schätzungen erstellt. Für Usability-Tests (Ziel 2) liegen die Daten zu Erfahrungen mit Rehydrierung und Interpretation von 36 Personen deutlich über der für Usability-Studien empfohlenen Zahl47,48.

Wir haben die ethische Genehmigung für diese Studie von den Institutional Review Boards der Northwestern University (IRB STU00215306) und Amref Health (AMREF-ESRC P1003/2021) erhalten. Wir haben auch die Genehmigung vom Ministerium für Planung und Entwicklung des Kreises Nakuru erhalten, der für die Koordinierung der Forschungsaktivitäten im Kreis und den zuständigen Ministerien verantwortlich ist. Alle Teilnehmer erteilten eine schriftliche Einwilligung zur Teilnahme an den Studienaktivitäten, einschließlich der Einwilligung, Fotos von den Tests zu Hause zu machen. Die Autoren bestätigen, dass die Teilnehmer menschlicher Forschung eine informierte Einwilligung zur Veröffentlichung der Bilder in Abb. 3 gegeben haben.

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Research Reporting Summary.

Alle Quelldaten für die Haupt- und SI-Zahlen wurden im Open Access in der Arch-Datenbank von Northwestern (https://arch.library.northwestern.edu) hinterlegt. Auf die Daten kann über https://doi.org/10.21985/n2-zyy5-cp15 zugegriffen werden. Eine vollständige Sequenz des verwendeten Plasmids ist auf Addgene unter der Zugangsnummer 128810 (pJBL7025) verfügbar [https://www.addgene.org/128810/].

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Referenzen herunterladen

Zuallererst danken wir allen Studienteilnehmern herzlich dafür, dass sie uns in ihren Häusern willkommen geheißen und ihre Erfahrungen mit Wasserunsicherheit und Wassertests geteilt haben. Für ihre Unterstützung bei der Datenerfassung danken wir Janet Barsolai Chepchirchir und Maxwell Otieno Aduogo sowie James Yegon (SOAR-Kenya Academy) für die Unterstützung bei der Mobilisierung der Gemeinschaft. Wir möchten uns auch bei Charlotte Knopp (Northwestern University) für die Leitung des Reaktionstransports von den Vereinigten Staaten nach Kenia bedanken. Wir danken Dylan Brown (Northwestern University) für hilfreiche Einblicke in die Temperaturstabilität von Sensoren und für die Bereitstellung einiger in dieser Studie verwendeter Reagenzien sowie Hilary Bethancourt (Northwestern University) für Ratschläge zur statistischen Analyse. Diese Arbeit wurde von der Carnegie Corporation unterstützt; Institut für Politikforschung der Northwestern University und Crown Family Center for Jewish and Israel Studies; die Unterstützung des amerikanischen Volkes für das Feed the Future Sustainable Intensification Innovation Lab durch das United States Agency for International Development Cooperative Agreement AID-OAA-L-14-00006; und das Vertragskommando der US-Armee W52P1J-21-9-3023.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Walter Thavarajah, Patrick Mbullo Owuor.

Abteilung für Chemie- und Biotechnik, Northwestern University, 2145 Sheridan Road, Evanston, IL, 60208, USA

Walter Thavarajah und Julius B. Lucks

Zentrum für Synthetische Biologie, Northwestern University, 2145 Sheridan Road, Evanston, IL, 60208, USA

Walter Thavarajah, Julius B. Lucks und Sarah L. Young

Zentrum für Wasserforschung, Northwestern University, 2145 Sheridan Road, Evanston, IL, 60208, USA

Walter Thavarajah, Julius B. Lucks und Sarah L. Young

Zentrum für Ingenieurwesen, Nachhaltigkeit und Belastbarkeit, Northwestern University, 2145 Sheridan Road, Evanston, IL, 60208, USA

Walter Thavarajah, Julius B. Lucks und Sarah L. Young

Abteilung für Anthropologie, Northwestern University, 1810 Hinman Avenue, Evanston, IL, 60208, USA

Patrick Mbullo Owuor, Rahul Aggarwal und Sarah L. Young

Institut für Politikforschung, Northwestern University, 2040 Sheridan Road, Evanston, IL, 60208, USA

Patrick Mbullo Owuor

Programm für Afrikastudien, Northwestern University, 620 Library Pl, Evanston, IL, 60208, USA

Patrick M. Young & Sarah L. Young

Abteilung für Managementwissenschaft und Projektplanung, Universität Nairobi, Postfach 30197, GPO, Nairobi, Kenia

Diana Ross Awuor

Abteilung für Epidemiologie und medizinische Statistik, School of Public Health, Moi University, Postfach 4606-30100, Eldoret, Kenia

Karlmax Kiprotich

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Konzeptualisierung, WT, PMO, JBL und SLY; Datenkuration, PMO, DA, KK und RA; Formale Analyse, WT & RA; Untersuchung, PMO, DA und KK; Methodik, WT, PMO, DA, KK, JBL, SLY; Projektverwaltung, WT, PMO, JBL und SLY; Finanzierungsakquise JBL & SLY; Schreiben – Originalentwurf, WT, PMO, RA, JBL, SLY; Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, WT, PMO, DA, KK, RA, JBL und SLY

Korrespondenz mit Julius B. Lucks oder Sera L. Young.

Die Autoren erklären die folgenden konkurrierenden finanziellen Interessen: WT und JBL halten ein Patent (Internationale Veröffentlichungsnummer WO 2020/185451 A3) für die in dieser Arbeit enthaltenen technologisch wichtigen Entwicklungen. JBL ist Mitbegründer von Stemloop, Inc. Die Interessen von JBL werden von der Northwestern University gemäß ihren Richtlinien zu Interessenkonflikten überprüft und verwaltet.

Wir sind uns der potenziellen Ungleichheiten bei der Zusammenarbeit zwischen Forschern in Ländern mit hohem Einkommen und Ländern mit niedrigem oder mittlerem Einkommen bewusst und haben bei der Gestaltung, Umsetzung, Analyse und Verbreitung der Studienergebnisse auf Inklusivität geachtet. Wir haben alle nationalen und lokalen Regeln in Kenia in Bezug auf die Forschung am Menschen sowie die der US-Institution befolgt. Sowohl in den USA als auch in Kenia ansässige Wissenschaftler waren am Studiendesign, der Erstellung von Datenerfassungsinstrumenten, der Interpretation der Daten und als Co-Autoren dieses Papiers beteiligt.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Thavarajah, W., Owuor, PM, Awuor, DR et al. Die Genauigkeit und Benutzerfreundlichkeit von Fluorid-Biosensoren am Einsatzort im ländlichen Kenia. npj Clean Water 6, 5 (2023). https://doi.org/10.1038/s41545-023-00221-5

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Eingegangen: 08. Juli 2022

Angenommen: 23. Januar 2023

Veröffentlicht: 08. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41545-023-00221-5

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