Een aan de Johns Hopkins University ontwikkelde COVID-19-sensor zou een revolutie teweeg kunnen brengen in het testen van virussen door nauwkeurigheid en snelheid toe te voegen aan een proces dat velen tijdens de pandemie frustreerde.

In een nieuwe studie die vandaag is gepubliceerd in Nano Letters , beschrijven de onderzoekers de nieuwe sensor, die geen monstervoorbereiding en minimale expertise van de operator vereist, en een sterk voordeel biedt ten opzichte van bestaande testmethoden, vooral voor populatiebrede testen.

"De techniek is zo simpel als een druppel speeksel op ons apparaat doen en een negatief of positief resultaat krijgen", zegt Ishan Barman, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, die samen met David Gracias, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering, zijn senior auteurs van de studie. "De belangrijkste nieuwigheid is dat dit een labelvrije techniek is, wat betekent dat er geen aanvullende chemische modificaties zoals moleculaire labeling of antilichaamfunctionalisering nodig zijn. Dit betekent dat de sensor uiteindelijk kan worden gebruikt in draagbare apparaten."

Barman zegt dat de nieuwe technologie, die nog niet op de markt verkrijgbaar is, de beperkingen van de twee meest gebruikte typen COVID-19-tests aanpakt:PCR en snelle tests.

PCR-tests zijn zeer nauwkeurig, maar vereisen gecompliceerde monstervoorbereiding, waarbij de resultaten uren of zelfs dagen in beslag nemen in een laboratorium. Aan de andere kant zijn snelle tests, die zoeken naar het bestaan ​​van antigenen, minder succesvol in het opsporen van vroege infecties en asymptomatische gevallen, en kunnen ze tot foutieve resultaten leiden.

De sensor is bijna net zo gevoelig als een PCR-test en net zo handig als een snelle antigeentest. Tijdens de eerste tests toonde de sensor een nauwkeurigheid van 92% bij het detecteren van SARS-COV-2 in speekselmonsters, vergelijkbaar met die van PCR-tests. De sensor was ook zeer succesvol in het snel vaststellen van de aanwezigheid van andere virussen, waaronder H1N1 en Zika.

De sensor is gebaseerd op nano-imprintlithografie met groot oppervlak, oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie (SERS) en machine learning. Het kan worden gebruikt voor massatesten in wegwerpchips of op stijve of flexibele oppervlakken.

De sleutel tot de methode is de grote, flexibele veldversterkende metalen isolatorantenne (FEMIA)-array die is ontwikkeld door het Gracias-lab. Het speekselmonster wordt op het materiaal geplaatst en geanalyseerd met behulp van oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie, waarbij laserlicht wordt gebruikt om te onderzoeken hoe moleculen van het onderzochte monster trillen. Omdat de nanogestructureerde FEMIA het Raman-signaal van het virus aanzienlijk versterkt, kan het systeem snel de aanwezigheid van een virus detecteren, zelfs als er slechts kleine sporen in het monster aanwezig zijn. Een andere belangrijke innovatie van het systeem is het gebruik van geavanceerde machine learning-algoritmen om zeer subtiele handtekeningen in de spectroscopische gegevens te detecteren waarmee onderzoekers de aanwezigheid en concentratie van het virus kunnen vaststellen.

"Label-free optical detection, combined with machine learning, allows us to have a single platform that can test for a wide range of viruses with enhanced sensitivity and selectivity, with a very fast turnaround," said lead author Debadrita Paria, who worked on the research as a post-doctoral fellow of Mechanical Engineering.

The sensor material can be placed on any type of surface, from doorknobs and building entrances to masks and textiles.

"Using state of the art nanoimprint fabrication and transfer printing we have realized highly precise, tunable, and scalable nanomanufacturing of both rigid and flexible COVID sensor substrates, which is important for future implementation not just on chip-based biosensors but also wearables," said Gracias.

He says the sensor could potentially be integrated with a hand-held testing device for fast screenings at crowded places like airports or stadiums.

"Our platform goes beyond the current COVID-19 pandemic," said Barman. "We can use this for broad testing against different viruses, for instance, to differentiate between SARS-CoV-2 and H1N1, and even variants. This is a major issue that can't be readily addressed by current rapid tests."

The team continues working to further develop and test the technology with patient samples. Johns Hopkins Technology Ventures has applied for patents on the intellectual property associated it and the team is pursuing license and commercialization opportunities.

Authors include:Kam Sang (Mark) Kwok, a graduate student in Chemical and Biomolecular Engineering; Piyush Raj, a graduate student; and Peng Zheng, a post-doctoral fellow in Mechanical Engineering. + Verder verkennen

Development of home COVID-19 test comparable to PCR accuracy, selectivity