Een nieuwe antilichaamtest die wordt ontwikkeld door een team dat bestaat uit twee SMU-onderzoekers, heeft het potentieel om de aanwezigheid van antilichamen die zijn gegenereerd als reactie op COVID-19 sneller en nauwkeuriger te detecteren dan de huidige antilichaamtesten.

Antilichaamtesten zijn van cruciaal belang om te bepalen hoeveel gevallen van coronavirus onopgemerkt zijn gebleven en of mensen die het virus hebben gehad nu mogelijk immuun zijn – metingen die de zorggemeenschap kunnen helpen de COVID-19-pandemie te beheersen en plannen te maken voor de toekomst. Maar conventionele immunosensor-antilichaamtests hebben de neiging om langzaam resultaten te tonen en vaak onnauwkeurig.

Onderzoekers schatten dat de lab-on-a-chip-test immuunreacties op coronavirus in twee tot drie minuten zou kunnen detecteren, met slechts een druppel bloed. De materialen die worden gebruikt om de test te maken zijn goedkoop, wat moet resulteren in goedkope massaproductie.

Ali Beskok en J.-C. Chiao zijn de hoofdonderzoekers achter de lab-on-a-chip-test.

Beskok is Stichting De Bruin, Inc. Professor of Engineering aan de Lyle School of Engineering van SMU. Chiao is de Mary and Richard Templeton Centennial Chair en professor aan de afdeling Electrical and Computing Engineering van Lyle. Samen, ze hebben meer dan 50 jaar gecombineerde expertise in microfluïdische technologie en biotechnologie.

Eva Csaky, Uitvoerend directeur van SMU's Hunter en Stephanie Hunt Institute for Engineering &Humanity; Bob Hendler, Chief Medical Officer van de Texas Hospital Association; en Quan-Zhen Li, directeur van UTSW Genomics &Microarray Core Facility, waren ook adviseurs op het project.

Om de ontwikkeling van het lab-on-a-chip-apparaat voor mogelijk klinisch gebruik te versnellen, het team is momenteel op zoek naar onderzoeksfinanciering.

Hoe het werkt

De lab-on-a-chip-test zal op zoek gaan naar tekenen dat het immuunsysteem van een persoon op een gegeven moment heeft gereageerd op de aanwezigheid van coronavirus in hun lichaam. specifiek, het zal menselijk IgG detecteren, IgM, en IgA-antilichamen die worden aangemaakt wanneer iemand met het virus is of is geïnfecteerd.

De test wordt uitgevoerd door een druppel bloed aan te brengen op een microfluïdische chip die wordt gebruikt om kleine hoeveelheden vloeistof te analyseren. Een in de microchip ingebed filter haalt plasma uit het bloedmonster. De chip wordt vervolgens in een elektronisch instrument geplaatst dat met elektrische metingen detecteert of er specifieke antilichamen in het plasma aanwezig zijn.

"Ons apparaat bevat zeer gevoelige elektroden die specifiek die gerichte antilichamen kunnen vangen. Eenmaal gevangen, er wordt een signaal gegenereerd naar de aangesloten elektronica en stuur informatie naar de smartphone van de gebruiker, ' legde Chiao uit.

De chip is 2 cm in doorsnee, en het apparaat is zo eenvoudig dat mensen zonder medische opleiding de test moeten kunnen uitvoeren, merkte Beskok op.

Hoe weten deze elektroden - geleiders waardoor elektrische stromen kunnen reizen - dat ze een gericht antilichaam hebben gevonden?

Antilichaam-antigeenbinding is de sleutel

Een antigeen is een eiwit dat het immuunsysteem van het lichaam aanzet om virussen aan te vallen, bacteriën, of andere schadelijke indringers van het lichaam. Antilichamen zijn de eiwitten die het werk doen om die indringer te elimineren door zich aan antigenen te hechten.

"We zullen COVID-19-antigenen gebruiken, zoals Spike-eiwitten (S1 en S2) die op het oppervlak van het virus te vinden zijn. Deze steken uit het virusmembraan, en de antilichamen hechten zich hieraan, "Zei Beskok. "Deze antigeen-eiwitten bedekken de elektrode-oppervlakken als een plakkerig kussentje, en alleen de specifiek op elkaar afgestemde antilichamen zullen zich hieraan hechten."

Beskok zei dat dezelfde technologie mogelijk kan worden gebruikt om andere ziekten te detecteren waarvan bekend is dat ze antilichaam-antigeen binden.

"De mogelijkheden zijn onbeperkt, ' zei Beskok.

SMU (Southern Methodist University) heeft een voorlopig patent aangevraagd op de technologie achter de test, die Multiplexed Assay for the Immune Response to COVID-19 (MAIRC) wordt genoemd.

Beskok en Anil Koklu, die zijn Ph.D. in werktuigbouwkunde bij SMU, kwam in 2018 voor het eerst op het idee om een ​​"Lab on the Chip"-apparaat te gebruiken om malaria en tuberculose op te sporen.

Ze maakten een vroeg prototype van dit apparaat, met behulp van roosterachtige nanopijler gestructureerde elektroden gemaakt aan de Universiteit van Texas in San Antonio. Resultaten geschetst in het tijdschrift Analytische scheikunde toonde aan dat het vroege apparaat IgG-antilichamen in 60 seconden nauwkeurig detecteerde met behulp van een klein monster (slechts één ng/ml) in het laboratorium gekochte antigenen en antilichamen.

Beskok en Chiao verlegden hun focus naar COVID-19-antilichaamdetectie zodra de wereldwijde pandemie begon. Zij en twee SMU Ph.D. studenten hebben sindsdien wijzigingen aan het apparaat aangebracht. Bijvoorbeeld, ze hebben wijzigingen aangebracht in de elektronische apparatuur die wordt gebruikt om de chip te lezen, zodat de test overal via een smartphone kan worden uitgevoerd.

Ze hebben ook een extra detectiemethode toegevoegd om te meten hoeveel van elk type antilichaam-IgG, IgM, of IgA—wordt gevonden in een monster. Hierdoor kunnen artsen het herstel van een persoon naar COVID-19 beter volgen, zei Chiao. Door de extra detectiestap, Beskok schat dat het twee tot drie minuten duurt voordat iemand die lab-on-a-chip-tests voor COVID-detectie gebruikt om resultaten op zijn smartphone te krijgen.

De volgende stap in het onderzoek is het testen van de gevoeligheid en specificiteit van het apparaat met behulp van in het laboratorium gekochte menselijke plasmamonsters verrijkt met in het laboratorium gekochte antilichamen en antilichamen. Beskok en Chiao zullen het apparaat vervolgens testen op plasma van echte COVID-patiënten voordat het voor het publiek beschikbaar zou worden gesteld.

De gouden standaard voor het testen van antilichamen is de enzymgekoppelde immunosorbenttest, of ELISA. Deze tests vereisen dat een persoon naar een laboratorium gaat om bloed te laten afnemen, en het duurt meestal twee dagen om de resultaten terug te krijgen.

"Er zijn enkele andere technieken om antilichamen snel op te sporen zonder dure laboratoriumapparatuur te gebruiken, maar ze lijden aan gevoeligheid, nauwkeurigheid, en consistentieproblemen, ' zei Chiao.

De precisie en snelheid van lab op een chip zijn toe te schrijven, gedeeltelijk, tot een aantal innovaties. Een daarvan is het gebruik van elektrothermische wisselstroom (ACET) stromen om antilichamen in het bloedplasma dichter bij sensoroppervlakken in de chip te brengen, zodat ze gedetecteerd kunnen worden.

"Een analogie van ACET is dit:denk erover na om een ​​ventilator te gebruiken om de lucht door een filter te dwingen. Het filter kan op deze manier meer stof en deeltjes in de lucht opvangen, "Zei Beskok. "Evenzo, Met ACET kunnen de antilichamen in het bloedplasma efficiënter worden opgevangen en gedetecteerd door ons apparaat."

Beskok en Chiao schatten dat de kosten van het elektronische instrument om de chip te lezen ongeveer $ 15 tot $ 20 zullen bedragen. De kosten van de wegwerppatroon, waar een druppel bloed naartoe zou gaan, zou waarschijnlijk minder dan $ 1 zijn.

"Ons uiteindelijke doel is om meetbare, nauwkeurig, snel, en goedkope diagnostische methoden gebaseerd op de detectie van humaan IgG, IgM, en IgA-antilichamen. Dit bestaat momenteel niet, en het zou een diepe en significante impact hebben op de wereld, gezien het verwoestende effect dat deze pandemie van het coronavirus heeft gehad, ' zei Chiao.