Robuuste en wijdverbreide antilichaamtesten zijn naar voren gekomen als een belangrijke strategie in de strijd tegen SARS-CoV-2, het virus dat verantwoordelijk is voor de COVID-19-pandemie. De huidige testmethoden zijn echter te onnauwkeurig of te duur om op wereldschaal haalbaar te zijn. Maar nu, wetenschappers van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben een snelle, betrouwbare en goedkope antilichaamtest.

Het apparaat, beschreven in een proof-of-concept-studie die deze week is gepubliceerd in Biosensoren en bio-elektronica , maakt gebruik van draagbare lab-on-a-chip-technologie om nauwkeurig de concentratie van antilichamen in verdund bloedplasma te meten.

Antilichamen zijn eiwitten die door het immuunsysteem worden geproduceerd om het virus te neutraliseren. Onderzoek heeft uitgewezen dat COVID-19-antilichamen aanwezig zijn in de latere stadia van infectie en in het bloed kunnen blijven hangen nadat de infectie is verdwenen, waardoor eerder geïnfecteerde personen kunnen worden geïdentificeerd. Antilichaamtests zijn dus een belangrijk middel om de volledige verspreiding van het coronavirus te bepalen – informatie die cruciaal is om het volksgezondheidsbeleid te sturen.

En toch hebben veel landen tot nu toe geen grootschalige antilichaamtests uitgevoerd.

"Veel bestaande platforms voor antilichaamtesten zijn nauwkeurig en betrouwbaar, maar ze zijn kostbaar en moeten in een laboratorium worden uitgevoerd door getrainde operators. Dit betekent dat het uren kan duren, of zelfs dagen, resultaten te behalen, " zei Dr. Riccardo Funari, eerste auteur en postdoctoraal onderzoeker in de Micro/Bio/Nanofluidics Unit van OIST. "Andere tests zijn gemakkelijker te gebruiken, draagbaar en snel, maar niet voldoende nauwkeurig zijn, wat de testinspanningen belemmert."

De onderzoekers vermeden deze wisselwerking tussen nauwkeurigheid en toegankelijkheid door een alternatief antilichaamtestplatform te ontwikkelen dat een krachtige lichtgevoelige technologie combineert met een microfluïdische chip. De chip geeft binnen 30 minuten resultaat en is zeer gevoelig, het detecteren van zelfs de laagste klinisch relevante antilichaamconcentratie. Elke chip is goedkoop te produceren en maakt een laboratorium of getrainde operators overbodig. het vergroten van de haalbaarheid van landelijke testen.

En er is nog een ander onderscheidend voordeel van dit nieuw ontwikkelde platform. "De test detecteert niet alleen of de antilichamen aanwezig of afwezig zijn, maar geeft ook informatie over de hoeveelheid antilichamen die door het immuunsysteem worden geproduceerd. Met andere woorden, het is kwantitatief, " zei professor Amy Shen, die de afdeling Micro/Bio/Nanofluïdica leidt. "Dit breidt de potentiële toepassingen aanzienlijk uit, van de behandeling van COVID-19 tot gebruik bij het ontwikkelen van vaccins."

De antilichamen verlichten

Het antilichaamtestplatform bestaat uit een microfluïdische chip die is geïntegreerd met een glasvezellichtsonde. De chip zelf is gemaakt van een met goud bedekt glasplaatje met een ingebed microfluïdisch kanaal. Met behulp van een elektrische spanning, het team maakte tienduizenden kleine stekelige goudstructuren, elk kleiner dan de golflengte van het licht, op een glasplaatje.

De onderzoekers hebben deze gouden nanospikes vervolgens aangepast door een fragment van het SARS-CoV-2 spike-eiwit te bevestigen. Dit eiwit is cruciaal om het coronavirus te helpen cellen te infecteren en veroorzaakt een sterke reactie van het immuunsysteem van een geïnfecteerde persoon.

In deze proof-of-conceptstudie de wetenschappers demonstreerden het principe achter hoe de test antilichamen detecteert door gebruik te maken van een kunstmatig menselijk plasmamonster dat is verrijkt met COVID-19-antilichamen die specifiek zijn voor het spike-eiwit.

Met behulp van een spuitpomp, het monster wordt door de chip getrokken. Terwijl het plasma langs de met eiwit beklede gouden nanospikes stroomt, de antilichamen binden aan de spike-eiwitfragmenten. Deze bindingsgebeurtenis wordt vervolgens gedetecteerd door de glasvezellichtsonde.

"Het detectieprincipe is eenvoudig maar krachtig, " zei Dr. Funari. Hij legde uit dat het gebaseerd is op het unieke gedrag van elektronen op het oppervlak van de gouden nanospikes, die samen oscilleren wanneer ze door licht worden geraakt. Deze resonerende elektronen zijn zeer gevoelig voor veranderingen in de omgeving, zoals de binding van antilichamen, wat een verschuiving veroorzaakt in de golflengte van het licht dat door de nanospikes wordt geabsorbeerd.

"Hoe meer antilichamen er binden, hoe groter de verschuiving in de golflengte van het geabsorbeerde licht, " voegde Dr. Funari toe. "De glasvezelsonde is verbonden met een lichtdetector die deze verschuiving meet. Met behulp van die informatie, we kunnen de concentratie van antilichamen in het plasmamonster bepalen."

Een gouden toekomst

De grootschalige uitrol van een kwantitatieve test kan een grote impact hebben op de manier waarop COVID-19 wordt behandeld.

Bijvoorbeeld, kwantitatieve tests kunnen artsen helpen na te gaan hoe effectief het immuunsysteem van een patiënt het virus bestrijdt. Het kan ook worden gebruikt om geschikte donoren te identificeren voor een veelbelovende experimentele behandeling, plasmatransfusietherapie genoemd, waarbij het antilichaamrijke bloed van een herstelde patiënt wordt gedoneerd aan momenteel geïnfecteerde patiënten om hen te helpen het virus te bestrijden.

Het kunnen meten van het niveau van de immuunrespons kan ook helpen bij de ontwikkeling van vaccins, waardoor onderzoekers kunnen bepalen hoe effectief een proefvaccin het immuunsysteem activeert.

Echter, de onderzoekers benadrukten dat het apparaat nog volop in ontwikkeling is. De eenheid heeft tot doel de chipgrootte te verkleinen om de productiekosten te verlagen en werkt ook aan het verbeteren van de betrouwbaarheid van de test.

"We hebben aangetoond dat het apparaat verschillende concentraties van het spike-eiwitantilichaam in kunstmatige menselijke plasmamonsters detecteert. We willen de test nu uitbreiden zodat de chip meerdere verschillende antilichamen tegelijkertijd kan detecteren, " zei Dr. Funari. "Zodra het apparaat is geoptimaliseerd, we zijn van plan om samen te werken met lokale ziekenhuizen en medische instellingen om tests uit te voeren op echte patiëntenmonsters."