Onderzoekers van de Carnegie Mellon University rapporteren bevindingen over een geavanceerd op nanomaterialen gebaseerd biosensing-platform dat detecteert, binnen enkele seconden, antilichamen die specifiek zijn voor SARS-CoV-2, het virus dat verantwoordelijk is voor de COVID-19-pandemie. Naast het testen, het platform zal helpen om de immunologische respons van patiënten op de nieuwe vaccins nauwkeurig te kwantificeren.

De resultaten zijn deze week gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen . Medewerkers van Carnegie Mellon waren onder meer de Universiteit van Pittsburgh (Pitt) en de UPMC.

Het testplatform identificeert de aanwezigheid van twee van de antistoffen van het virus, spike S1-eiwit en receptorbindend domein (RBD), in een zeer kleine druppel bloed (ongeveer 5 microliter). Antilichaamconcentraties kunnen extreem laag zijn en toch worden gedetecteerd onder één picomolair (0,15 nanogram per milliliter). Deze detectie gebeurt door een elektrochemische reactie in een handzaam microfluïdisch apparaat dat de resultaten vrijwel onmiddellijk naar een eenvoudige interface op een smartphone stuurt.

"We hebben de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van materialen en productie gebruikt, zoals 3D-printen van nanodeeltjes om een ​​apparaat te maken dat snel COVID-19-antilichamen detecteert, " zei Rahul Panat, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan Carnegie Mellon die gespecialiseerde additieve productietechnieken gebruikt voor onderzoek, variërend van hersen-computerinterfaces tot biomonitoring-apparaten.

Een additieve productietechnologie genaamd aerosol jet 3D-printen is verantwoordelijk voor de efficiëntie en nauwkeurigheid van het testplatform. Klein, goedkope gouden micropillar-elektroden worden op nanoschaal geprint met behulp van aerosoldruppels die thermisch aan elkaar zijn gesinterd. Dit veroorzaakt een ruwe, onregelmatig oppervlak dat zorgt voor een groter oppervlak van de micropilaren en een verbeterde elektrochemische reactie, waar antilichamen zich kunnen hechten aan antigenen die op de elektrode zijn gecoat. Door de specifieke geometrie kunnen de micropilaren meer eiwitten laden voor detectie, resulterend in een zeer nauwkeurige, snelle resultaten.

De test heeft een zeer laag foutenpercentage omdat de bindingsreactie tussen het antilichaam en het antigeen dat in het apparaat wordt gebruikt, zeer selectief is. De onderzoekers wisten dit natuurlijke ontwerp in hun voordeel uit te buiten.

De resultaten komen op een dringend moment tijdens de COVID-19-pandemie. "Omdat onze techniek de immuunrespons op vaccinatie kan kwantificeren, het is zeer relevant in de huidige omgeving, ' zei Panat.

Panat werkte samen met Shou-Jiang Gao, leider van het kankervirologieprogramma bij het Hillman Cancer Center van UPMC en hoogleraar microbiologie en moleculaire genetica bij Pitt. Azahar Ali, een onderzoeker in het Advanced Manufacturing and Materials Lab van Panat, was de hoofdauteur van de studie.

Snelle diagnose voor de behandeling en preventie van overdraagbare ziekten is een probleem voor de volksgezondheid dat verder gaat dan de huidige COVID-19-pandemie. Omdat het voorgestelde detectieplatform generiek is, het kan worden gebruikt voor de snelle detectie van biomarkers voor andere infectieuze agentia zoals Ebola, hiv, en Zika. Zo'n snelle en effectieve test zou een game-changer kunnen zijn voor het beheersen van de verspreiding van ziekten.