Ingenieurs van de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis hebben federale financiering ontvangen voor een snelle COVID-19-test met behulp van een nieuw ontwikkelde technologie.

Srikanth Singamaneni, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde, en zijn team hebben een snelle, zeer gevoelige en nauwkeurige biosensor op basis van een ultraheldere fluorescerende nanosonde, die de potentie heeft om breed ingezet te worden.

Plasmonisch-fluor genoemd, de ultraheldere fluorescerende nanosonde kan ook helpen in omstandigheden met beperkte middelen, omdat er minder complexe instrumenten nodig zijn om de resultaten te lezen.

Singamaneni veronderstelt dat hun op plasmonische fluor gebaseerde biosensor 100 keer gevoeliger zal zijn in vergelijking met de conventionele SARS-CoV-2-antilichaamdetectiemethode. Een verhoogde gevoeligheid zou clinici en onderzoekers in staat stellen gemakkelijker positieve gevallen te vinden en de kans op vals-negatieven te verkleinen.

Plasmonisch-fluor werkt door het fluorescentiesignaal te verhogen tot achtergrondruis. Stel je voor dat je op een zonnige dag buiten vuurvliegjes probeert te vangen. Je zou er een of twee kunnen scoren, maar tegen de schittering van de zon, die kleine beestjes zijn moeilijk te zien. Wat als die vuurvliegjes dezelfde helderheid hadden als een krachtige zaklamp?

Plasmonisch-fluor verhoogt effectief de helderheid van fluorescerende labels die worden gebruikt in een verscheidenheid aan biosensing- en bioimaging-methoden. Naast COVID-19-testen, het kan mogelijk worden gebruikt om een ​​diagnose te stellen, bijvoorbeeld, dat een persoon een hartaanval heeft gehad door de niveaus van relevante moleculen in bloed- of urinemonsters te meten.

Met behulp van plasmonisch-fluor, die is samengesteld uit gouden nanodeeltjes bedekt met conventionele kleurstoffen, onderzoekers hebben tot een 6 kunnen behalen, 700 keer helderder fluorescerend nanolabel vergeleken met conventionele kleurstoffen, wat kan leiden tot een vroege diagnose. Door dit nanolabel te gebruiken als een ultraheldere zaklamp, ze hebben de detectie aangetoond van extreem kleine hoeveelheden doelbiomoleculen in biovloeistoffen en zelfs moleculen die op de cellen aanwezig zijn.

De studie werd gepubliceerd in het nummer van 20 april van: Natuur Biomedische Technologie .

Gouden nanodeeltjes dienen als bakens

In biomedisch onderzoek en klinische laboratoria, fluorescentie wordt gebruikt als een baken om doelbiomoleculen met precisie te zien en te volgen. Het is een uiterst handig hulpmiddel, maar het is niet perfect.

"Het probleem bij fluorescentie is, in veel gevallen, het is niet intens genoeg, " zei Singamaneni. Als het fluorescerende signaal niet sterk genoeg is om op te vallen tegen achtergrondsignalen, net als vuurvliegjes tegen de schittering van de zon, onderzoekers kunnen iets missen dat minder overvloedig maar belangrijk is.

"Het verhogen van de helderheid van een nanolabel is een enorme uitdaging, " zei Jingyi Luan, hoofdauteur van het artikel. Maar hier, het is het gouden nanodeeltje in het midden van het plasmonische fluor dat echt het werk doet om de vuurvliegjes efficiënt in zaklampen te veranderen, bij wijze van spreken. Het gouden nanodeeltje werkt als een antenne, sterk absorberend en verstrooiend licht. Dat sterk geconcentreerde licht wordt naar de fluorofoor geleid die rond het nanodeeltje is geplaatst. Naast het concentreren van het licht, de nanodeeltjes versnellen de emissiesnelheid van de fluoroforen. Bij elkaar genomen, deze twee effecten verhogen de fluorescentie-emissie.

Eigenlijk, elke fluorofoor wordt een efficiënter baken, en de 200 fluoroforen die rond het nanodeeltje zitten, zenden een signaal uit dat gelijk is aan 6, 700 fluoroforen.

Naast het detecteren van kleine hoeveelheden moleculen, detectietijd kan worden verkort met behulp van plasmonisch-fluor, omdat helderdere bakens betekenen dat er minder gevangen eiwitten nodig zijn om hun aanwezigheid te bepalen.

De onderzoekers hebben ook aangetoond dat plasmonische fluor de detectie van meerdere eiwitten tegelijk mogelijk maakt. En in flowcytometrie, het verhelderende effect van plasmonisch-fluor zorgt voor een nauwkeurigere en gevoeligere meting van eiwitten op het celoppervlak, wiens signaal mogelijk is begraven in de achtergrondruis met behulp van traditionele fluorescerende tagging.

Er zijn andere pogingen gedaan om fluorescerende tagging in beeldvorming te verbeteren, maar veel vereisen het gebruik van een geheel nieuw workflow- en meetplatform. Naast het vermogen van plasmonisch-fluor om de gevoeligheid aanzienlijk te verhogen en de detectietijd te verkorten, het vereist geen wijzigingen aan bestaande laboratoriumhulpmiddelen of -technieken.

De technologie is in licentie gegeven aan Auragent Bioscience LLC door het Office of Technology Management van de Washington University. Auragent is bezig met de verdere ontwikkeling en opschaling van de productie van plasmonische fluor voor commercialisering.