Een nieuwe tool die gebruikmaakt van een bosachtige reeks verticaal uitgelijnde koolstofnanobuizen die nauwkeurig kunnen worden afgestemd om virussen selectief te vangen op basis van hun grootte, kan de detectiedrempel voor virussen verhogen en het proces van het identificeren van nieuw opkomende virussen versnellen. Het onderzoek, door een interdisciplinair team van wetenschappers van Penn State, verschijnt op 7 oktober 2016 editie van het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

"Virussen detecteren in een vroeg stadium van een infectie voordat de symptomen verschijnen, of uit veldmonsters, is moeilijk omdat de concentratie van de virussen erg laag kan zijn - vaak onder de drempel van de huidige detectiemethoden, " zei Mauricio Terrones, hoogleraar natuurkunde, scheikunde, en materiaalkunde en techniek bij Penn State, en een van de corresponderende auteurs van het onderzoek. "Vroege detectie is belangrijk omdat een virus zich kan verspreiden voordat we het kunnen detecteren. Het apparaat dat we hebben ontwikkeld stelt ons in staat om virussen selectief te vangen en te concentreren door hun grootte - kleiner dan menselijke cellen en bacteriën, maar groter dan de meeste eiwitten en andere macromoleculen - in ongelooflijk verdunde monsters. Het vergroot ons vermogen om kleine hoeveelheden van een virus te detecteren nog meer dan honderd keer."

Het onderzoeksteam ontwikkelde en testte een kleine, draagbaar apparaat dat de gevoeligheid van virusdetectie verhoogt door virussen op te vangen en te concentreren in een reeks koolstofnanobuisjes. Verdunde monsters die zijn verzameld bij patiënten of de omgeving worden door een filter gevoerd om grote deeltjes zoals bacteriën en menselijke cellen te verwijderen, vervolgens door de reeks koolstofnanobuisjes in het apparaat. Virussen komen vast te zitten en bouwen zich op tot bruikbare concentraties in het woud van nanobuisjes, terwijl andere kleinere deeltjes passeren en worden geëlimineerd. Het geconcentreerde virus dat in het apparaat is gevangen, kan vervolgens aan een reeks tests worden onderworpen om het te identificeren, inclusief moleculaire diagnose door polymerasekettingreactie (PCR), immunologische methoden, virus isolatie, en genoomsequencing.

"Omdat ons apparaat virussen isoleert en concentreert puur op grootte, we kunnen virussen vangen waarvan we biologisch niets afweten - we hebben geen antilichaam of ander moleculair label nodig, " zei Terrones. "Zodra we het virus hebben gevangen en geconcentreerd, we kunnen dan andere technieken gebruiken, zoals sequencing van het hele genoom om het te karakteriseren."

"De meeste dodelijke virale uitbraken in de afgelopen twee decennia werden veroorzaakt door nieuw opkomende virussen. Deze op grootte gebaseerde virusverrijkingstechnologie kan bijzonder krachtig zijn bij het identificeren van opkomende virussen en het ontdekken van nieuwe virussen die geen antilichamen en sequentie-informatie beschikbaar hebben, " zei Si-Yang Zheng, universitair hoofddocent biomedische technologie aan Penn State, de andere corresponderende auteur op het papier. "Onze nieuwe technologie verrijkt niet alleen virussen minstens honderd keer, maar het verwijdert ook gastheer- en omgevingsverontreinigingen, en maakt directe virusidentificatie mogelijk door sequencing van de volgende generatie van in het veld verzamelde monsters zonder viruscultuur."

Virussen, zoals griep, hiv/aids, ebola, en Zika - kan plotselinge, onvoorspelbare uitbraken die tot ernstige volksgezondheidscrises leiden. De momenteel beschikbare technieken voor het isoleren en identificeren van de virussen die deze uitbraken veroorzaken, zijn traag, duur, en gebruik apparatuur en reagentia die duur kunnen zijn, omvangrijk, en vereisen gespecialiseerde opslag. Aanvullend, veel recente uitbraken zijn veroorzaakt door nieuw opkomende virussen waarvoor er geen gevestigde manieren zijn om ze selectief te isoleren voor identificatie en karakterisering.

"We hebben de technologie ontwikkeld om een ​​woud van nanobuisjes te laten groeien en we kunnen de afstand tussen de stammen regelen, " zei Zheng. "De afstand tussen de buizen kan variëren van ongeveer 17 nanometer tot meer dan 300 nanometer om selectief virussen te vangen. De unieke eigenschappen van het koolstof-nanobuisbos stellen ons in staat om het te integreren in een robuust, schaalbaar, en draagbaar microapparaat dat kan worden aangepast voor gebruik in het veld zonder de noodzaak van omvangrijke instrumenten en gespecialiseerde opslag van reagentia."

De onderzoekers valideerden het vermogen van hun nieuw ontwikkelde apparaat om virussen te vangen uit verdunde monsters met behulp van bekende concentraties van eerder geïdentificeerde virussen en veldmonsters van opkomende en onbekende virussen. "We hebben een draagbaar platform ontwikkeld om virussen te verrijken en te isoleren op basis van hun fysieke grootte, " zei Yin-Ting Yeh, een postdoctoraal onderzoeker bij Penn State en eerste auteur van het artikel. "Deze afstembare, op grootte gebaseerde aanpak zorgt voor een snelle virusverrijking rechtstreeks uit veldmonsters zonder het gebruik van antilichamen. Het apparaat maakt vroege detectie van opkomende ziekten mogelijk en maakt mogelijk de ontwikkeling van vaccins veel eerder mogelijk in het proces van een uitbraak."