Terwijl de COVID-19-pandemie zich over de hele wereld blijft verspreiden, testen blijft een belangrijke strategie om het virus op te sporen en in te dammen. Afgestudeerde bio-ingenieur, Maha Alafief, heeft meegewerkt aan een snelle, ultragevoelige test met behulp van een op papier gebaseerde elektrochemische sensor die de aanwezigheid van het virus in minder dan vijf minuten kan detecteren. Het team onder leiding van professor Dipanjan Pan rapporteerde hun bevindingen in: ACS Nano .

"Momenteel, we beleven een levensveranderende gebeurtenis die eens in de eeuw verandert, " zei Alafeef. "We spelen in op deze wereldwijde behoefte vanuit een holistische benadering door multidisciplinaire hulpmiddelen te ontwikkelen voor vroege detectie en diagnose en behandeling van SARS-CoV-2."

Er zijn twee brede categorieën van COVID-19-tests op de markt. De eerste categorie maakt gebruik van real-time polymerasekettingreactie van reverse transcriptase (RT-PCR) en nucleïnezuurhybridisatiestrategieën om viraal RNA te identificeren. Huidige door de FDA goedgekeurde diagnostische tests gebruiken deze techniek. Enkele nadelen zijn de hoeveelheid tijd die nodig is om de test te voltooien, de behoefte aan gespecialiseerd personeel en de beschikbaarheid van apparatuur en reagentia.

De tweede categorie tests richt zich op de detectie van antilichamen. Echter, er kan een vertraging zijn van een paar dagen tot een paar weken nadat een persoon aan het virus is blootgesteld om detecteerbare antilichamen te produceren.

In recente jaren, onderzoekers hebben enig succes gehad met het maken van point-of-care biosensoren met behulp van 2D-nanomaterialen zoals grafeen om ziekten te detecteren. De belangrijkste voordelen van op grafeen gebaseerde biosensoren zijn hun gevoeligheid, lage productiekosten en snelle detectie doorlooptijd. "De ontdekking van grafeen opende een nieuw tijdperk van sensorontwikkeling vanwege zijn eigenschappen. Grafeen vertoont unieke mechanische en elektrochemische eigenschappen die het ideaal maken voor de ontwikkeling van gevoelige elektrochemische sensoren, " zei Alafeef. Het team creëerde een op grafeen gebaseerde elektrochemische biosensor met een elektrische uitleesopstelling om selectief de aanwezigheid van genetisch materiaal van SARS-CoV-2 te detecteren.

Deze biosensor bestaat uit twee componenten:een platform om een ​​elektrische uitlezing te meten en sondes om de aanwezigheid van viraal RNA te detecteren. Om het platform te creëren, onderzoekers bedekten eerst filterpapier met een laag grafeen-nanoplaatjes om een ​​geleidende film te creëren. Vervolgens, ze plaatsten een gouden elektrode met een vooraf gedefinieerd ontwerp bovenop het grafeen als een contactkussen voor elektrische uitlezing. Zowel goud als grafeen hebben een hoge gevoeligheid en geleidbaarheid, waardoor dit platform ultragevoelig is voor het detecteren van veranderingen in elektrische signalen.

Huidige op RNA gebaseerde COVID-19-tests screenen op de aanwezigheid van het N-gen (nucleocapsidefosfoproteïne) op het SARS-CoV-2-virus. In dit onderzoek, het team ontwierp antisense oligonucleotide (ASO's) sondes om zich op twee regio's van het N-gen te richten. Het richten op twee regio's zorgt voor de betrouwbaarheid van de senor in het geval dat een regio genmutatie ondergaat. Verder, gouden nanodeeltjes (AuNP) zijn afgedekt met deze enkelstrengs nucleïnezuren (ssDNA), die een ultragevoelige detectieprobe voor het SARS-CoV-2-RNA vertegenwoordigt.

De onderzoekers toonden eerder de gevoeligheid van de ontwikkelde sensing-sondes in hun eerdere werk gepubliceerd in ACS Nano . De hybridisatie van het virale RNA met deze probes veroorzaakt een verandering in de elektrische respons van de sensor. De AuNP-caps versnellen de elektronenoverdracht en wanneer ze over het detectieplatform worden uitgezonden, resulteert in een toename van het uitgangssignaal en duidt op de aanwezigheid van het virus.

Het team testte de prestaties van deze sensor met behulp van COVID-19 positieve en negatieve monsters. De sensor toonde een significante toename van de spanning van positieve monsters in vergelijking met de negatieve en bevestigde de aanwezigheid van viraal genetisch materiaal in minder dan vijf minuten. Verder, de sensor was in staat om virale RNA-belastingen in deze monsters te onderscheiden. Virale belasting is een belangrijke kwantitatieve indicator van de voortgang van infectie en een uitdaging om te meten met behulp van bestaande diagnostische methoden.

Dit platform heeft verreikende toepassingen vanwege de draagbaarheid en lage kosten. de voeler, wanneer geïntegreerd met microcontrollers en LED-schermen of met een smartphone via Bluetooth of wifi, kan worden gebruikt op de point-of-care in een spreekkamer of zelfs thuis. Naast COVID-19, het onderzoeksteam voorziet ook dat het systeem kan worden aangepast voor de detectie van veel verschillende ziekten.

"Het onbeperkte potentieel van bio-engineering heeft altijd mijn grootste interesse gewekt met zijn innovatieve translationele toepassingen, " Alafeef zei. "Ik ben blij om te zien dat mijn onderzoeksproject een impact heeft op het oplossen van een reëel probleem. Eindelijk, Ik wil graag mijn Ph.D. adviseur professor Dipanjan Pan voor zijn eindeloze steun, onderzoekswetenschapper Dr. Parikshit Moitra, en onderzoeksassistent Ketan Dighe voor hun hulp en bijdrage aan het succes van deze studie."