Terwijl de nationale uitrol van het COVID-19-vaccin in Australië doorgaat en de dreiging van nieuwe en bestaande wereldwijde varianten opdoemt, snel testen blijft essentieel voor identificatie, contactopsporing en inperking van infectie.

Ons onderzoeksteam, met de steun van onze Australische medewerkers, bijna een jaar durende zoektocht voltooien om commerciële hoeveelheden lokaal geproduceerde magnetische nanodeeltjes te ontwikkelen - een belangrijk ontbrekend ingrediënt voor een volledig in Australië gemaakte COVID-19-testkit.

Hoewel antilichaamtesten (die in de meeste Australische testcentra worden gebruikt) kunnen aantonen welke mensen al zijn blootgesteld en een immuunrespons hebben ontwikkeld, polymerasekettingreactie (PCR) -tests zijn de gouden standaard om te bepalen of een persoon momenteel geïnfecteerd is.

Veel Australiërs, en inderdaad veel mensen wereldwijd, zal bekend zijn met de COVID-19-swab-test." Een wattenstaafje wordt eerst rond de achterkant van uw keel geveegd en vervolgens diep in beide neusgaten ingebracht - een vreemd en onaangenaam gevoel.

COVID-tests:achter de schermen

Het deel dat je dan niet ziet gebeuren, is in het laboratorium, waar technici het monster analyseren op RNA – het genetische materiaal van SARS-CoV-2 – het COVID-19-veroorzakende virus.

Een cruciaal onderdeel van dit laboratoriumproces is het scheiden van het genetische materiaal (bekend als nucleïnezuur) van het andere biologische materiaal dat op het uitstrijkje wordt verzameld. Dit wordt bereikt met behulp van magnetische silica nanodeeltjes.

Deze nanodeeltjes zijn doorgaans slechts een paar honderd nanometer groot (een miljoenste millimeter) en bestaan ​​uit een kern van magnetisch materiaal gecoat in een dunne schil van silica (glas), die worden toegevoegd aan een injectieflacon met de swab-oplossing.

Er wordt een speciaal zout toegevoegd dat ervoor zorgt dat alle nucleïnezuren uit het wattenstaafje reversibel aan het silica-omhulsel blijven kleven.

Omdat de nanodeeltjes magnetisch zijn, de nucleïnezuren kunnen nu worden opgevangen en gescheiden van alle andere ongewenste biomaterialen in het wattenstaafje met behulp van een eenvoudige magneet.

De gezuiverde nucleïnezuren worden dan ongebonden van de magnetische silica nanodeeltjes, en er wordt een PCR-test uitgevoerd om te controleren of er SARS-CoV-2-virus-RNA aanwezig is.

Het ontbrekende ingrediënt

Toen de pandemie toesloeg, echter, magnetische silica nanodeeltjes werden niet geproduceerd in Australië, en aangezien er nog steeds geen lokale producenten zijn, Australische fabrikanten van testkits zijn verplicht om ze uit het buitenland te betrekken.

De sterk toegenomen wereldwijde vraag naar deze deeltjes heeft de kosten opgedreven, toeleveringsketens verstoren, en het beperken van de beschikbaarheid van magnetische kralen voor Australische fabrikanten van uitstrijkjestestkits.

De Australische regering heeft een COVID-testkit-taskforce opgericht, die in maart 2020, de hulp ingeroepen van ons Nanoscience Laboratory om te helpen bij het lokaal produceren van magnetische silicadeeltjes, het opbouwen van een gegarandeerde voorziening voor ten minste 100, 000 COVID-tests per week.

Maar er waren een paar problemen.

Ten eerste, commerciële deeltjes worden in het buitenland geproduceerd via propriëtaire methoden die niet publiekelijk beschikbaar zijn, dus voordat we een Australische voorraad konden creëren, we zouden onze eigen methode moeten bedenken om functionerende magnetische silica-nanodeeltjes te produceren.

Gelukkig, bij het ARC Centre of Excellence in Exciton Science, we hebben gewerkt aan het maken van magnetische nanodeeltjes voor andere toepassingen, waaronder quantum dot-synthese, zo konden we snel methoden ontwerpen en testen om een ​​passend product te maken.

Lokale productie tijdens een pandemie

Het tweede probleem was dat het 2020 was, en we waren in Melbourne. Met de strenge bewegingsbeperkingen die het grootste deel van het jaar van kracht zijn, bijna alle medewerkers en studenten konden de campus van Parkville van de universiteit niet bezoeken.

Echter, ons kleine team van onderzoekers kreeg toestemming om ruimte in te nemen in de grotendeels verlaten School of Chemistry om deze belangrijke uitdaging aan te gaan.

Het laatste probleem was er een van schaal.

Elke testkit vereist ongeveer vijf microgram silicadeeltjes, en zo 100 te ontmoeten, 000 testen per week, ons eerste doel was om 500 gram magnetische nanodeeltjes per week te maken.

We hadden de chemische knowhow, maar voor een onderzoekslaboratorium dat gewend is kleine reacties te maken en minder dan een gram product te produceren, we hadden geen toegang tot alle benodigde apparatuur.

Om een ​​idee te krijgen hoe groot dit probleem was, stel je voor dat je wordt verteld om genoeg pastasaus te maken voor duizend mensen - in je eigen keuken.

Om deze enorme schaalvergroting te realiseren, we hebben samenwerkingen opgezet met verschillende Australische bedrijven, waaronder Scaled Organics in Melbourne, die hun proefreactoren ter beschikking stelden om de hoeveelheden materiaal te produceren die we nodig hadden.

Genetic Signatures, de in Sydney gevestigde fabrikant van COVID-testkits, kon vervolgens verifiëren of elke batch nanodeeltjes geschikt was voor het beoogde doel in een echte COVID-testsituatie.

We hadden ook de steun van het Monash Center for Electron Microscopy en de Australian Synchrotron voor het werk om commerciële monsters van de nanodeeltjes af te beelden en deze te vergelijken met onze testbatches.

Een simpel recept

De reactie moest eenvoudig en met relatief weinig stappen zijn, om de kosten en andere belemmeringen voor schaalbaarheid te minimaliseren.

Na maanden van lange uren en de klok rond werken, wij identificeerden, geoptimaliseerd, geverifieerd en opgeschaald een synthese van met silica gecoate magnetische nanodeeltjes.

Maar er was een kink in de kabel.

We merkten kort na de synthese een kleurverandering van de nanodeeltjesmonsters op, aanleiding tot speculatie dat de kristalstructuur van de nanodeeltjes in de loop van de tijd veranderde van magnetiet (Fe₃O₄) in maghemiet (Fe₂O₃).

Het belang van het project erkennend, de Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO) gaf ons prioriteitstoegang tot hun veelgevraagde apparatuur, een X-Ray Absorbance Spectroscopie (XAS) bundellijn bij de Australische Synchrotron, om deze vraag op te lossen.

Het is niet eenvoudig om de twee kristalstructuren te onderscheiden, omdat ze erg op elkaar lijken, maar röntgenabsorptiespectroscopie kan ze gemakkelijk uit elkaar houden. Uit de resultaten, we hebben vastgesteld dat een van de zouten die we aan het reactiemengsel toevoegden de vorming van de ene kristalstructuur veroorzaakte en niet de andere (deze resultaten zullen op een later tijdstip worden gepubliceerd).

We waren toen in staat om de optimale zoutconcentratie te vinden om magnetiet te produceren, wat de voorkeur heeft omdat het meer magnetisch is dan maghemiet, en functioneert beter binnen de afgewerkte nanodeeltjes.

Op weg naar een test van Australische makelij

Om een ​​product te ontwikkelen dat in staat is gelijkwaardige overzeese commerciële aanbiedingen te evenaren, we hebben meer dan 500 experimenten uitgevoerd met kleine batches om elk onderdeel van de productie te optimaliseren, inclusief de dikte van de silica coating, de reagensverhoudingen en concentraties, en zelfs verschillende zuiveringsmethoden.

Onder voorbehoud van verificatie in klinische tests, onze nanodeeltjes kunnen binnenkort worden gebruikt om magnetische silica-nanodeeltjes te leveren voor een in Australië gemaakte COVID-19-testkit - terwijl we de uitdagingen van deze ongekende wereldwijde noodsituatie op gezondheidsgebied blijven aangaan.