Een nieuwe benadering van testen op de aanwezigheid van het virus dat COVID-19 veroorzaakt, kan leiden tot tests die sneller, goedkoper en mogelijk minder vatbaar zijn voor foutieve resultaten dan bestaande detectiemethoden. Hoewel het werk, gebaseerd op kwantumeffecten, nog steeds theoretisch is, kunnen deze detectoren mogelijk worden aangepast om vrijwel elk virus te detecteren, zeggen de onderzoekers.

De nieuwe aanpak wordt beschreven in een artikel dat donderdag is gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters , door Changhao Li, een MIT-promovendus; Paola Cappellaro, hoogleraar nucleaire wetenschappen en techniek en natuurkunde; en Rouholla Soleyman en Mohammad Kohandel van de Universiteit van Waterloo.

Bestaande tests voor het SARS-CoV-2-virus omvatten snelle tests die specifieke virale eiwitten detecteren, en polymerasekettingreactie (PCR)-tests die enkele uren in beslag nemen. Geen van deze tests kan de hoeveelheid aanwezige virussen met hoge nauwkeurigheid kwantificeren. Zelfs de gouden standaard PCR-tests kunnen fout-negatieve percentages van meer dan 25 procent hebben. Daarentegen blijkt uit de analyse van het team dat de nieuwe test vals-negatieve percentages van minder dan 1 procent zou kunnen hebben. De test kan ook gevoelig genoeg zijn om binnen een seconde slechts een paar honderd strengen van het virale RNA te detecteren.

De nieuwe aanpak maakt gebruik van defecten op atomaire schaal in kleine stukjes diamant, ook wel stikstof-vacaturecentra (NV) genoemd. Deze kleine defecten zijn extreem gevoelig voor minieme verstoringen, dankzij kwantumeffecten die plaatsvinden in het kristalrooster van de diamant, en worden onderzocht voor een breed scala aan detectieapparaten die een hoge gevoeligheid vereisen.

De nieuwe methode omvat het coaten van de nanodiamanten die deze NV-centra bevatten met een materiaal dat magnetisch daaraan is gekoppeld en dat is behandeld om alleen te binden met de specifieke RNA-sequentie van het virus. Wanneer het virus-RNA aanwezig is en zich aan dit materiaal hecht, verstoort het de magnetische verbinding en veroorzaakt het veranderingen in de fluorescentie van de diamant die gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd met een op laser gebaseerde optische sensor.

De sensor gebruikt alleen goedkope materialen (de betrokken diamanten zijn kleiner dan stofdeeltjes), en de apparaten kunnen worden opgeschaald om een ​​hele reeks monsters tegelijk te analyseren, zeggen de onderzoekers. De op gadolinium gebaseerde coating met zijn op RNA afgestemde organische moleculen kan worden geproduceerd met behulp van gewone chemische processen en materialen, en de lasers die worden gebruikt om de resultaten uit te lezen, zijn vergelijkbaar met goedkope, algemeen verkrijgbare commerciële groene laserpointers.

Hoewel dit aanvankelijke werk was gebaseerd op gedetailleerde wiskundige simulaties die aantoonden dat het systeem in principe kan werken, blijft het team werken aan de vertaling ervan naar een werkend apparaat op laboratoriumschaal om de voorspellingen te bevestigen. "We weten niet hoe lang het duurt om de laatste demonstratie te doen", zegt Li. Hun plan is om eerst een fundamentele proof-of-principle-labtest uit te voeren en vervolgens te werken aan manieren om het systeem te optimaliseren zodat het werkt op echte virusdiagnosetoepassingen.

Het multidisciplinaire proces vereist een combinatie van expertise in kwantumfysica en engineering, voor het produceren van de detectoren zelf, en in chemie en biologie, voor het ontwikkelen van de moleculen die binden met het virale RNA en voor het vinden van manieren om deze aan de diamantoppervlakken te binden.

Zelfs als er complicaties optreden bij het vertalen van de theoretische analyse naar een werkend apparaat, zegt Cappellaro, is er zo'n grote marge van lagere fout-negatieven voorspeld op basis van dit werk dat het in dat opzicht waarschijnlijk nog steeds een groot voordeel zal hebben ten opzichte van standaard PCR-tests. En zelfs als de nauwkeurigheid hetzelfde zou zijn, zou deze methode nog steeds een groot voordeel hebben omdat ze de resultaten binnen enkele minuten produceert, in plaats van enkele uren, zegt ze.

De basismethode kan worden aangepast aan elk virus, zegt ze, inclusief eventuele nieuwe virussen, simpelweg door de verbindingen die aan de nanodiamantsensoren zijn bevestigd aan te passen aan het generieke materiaal van het specifieke doelvirus.

"De voorgestelde aanpak is aantrekkelijk zowel vanwege zijn algemeenheid als zijn technologische eenvoud", zegt David Glenn, senior onderzoeker bij Quantum Diamond Technologies Inc., die niet betrokken was bij dit werk. "Met name de gevoelige, volledig optische detectietechniek die hier wordt beschreven, vereist minimale instrumentatie in vergelijking met andere methoden waarbij stikstofleegtecentra worden gebruikt", zegt hij.

Hij voegt eraan toe dat voor zijn bedrijf, "we erg enthousiast zijn over het gebruik van op diamanten gebaseerde kwantumsensoren om krachtige hulpmiddelen voor biomedische diagnostiek te bouwen. Onnodig te zeggen dat we met grote belangstelling zullen volgen terwijl de ideeën die in dit werk worden gepresenteerd, worden vertaald naar het lab." + Verder verkennen

Onderzoekers ontwikkelen snelle, zeer nauwkeurige test om virussen zoals SARS-COV-2 te detecteren

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.