De afgelopen vier jaar zijn velen van ons gewend geraakt aan het afnemen van de neus om te testen op COVID-19, waarbij gebruik wordt gemaakt van snelle antigeentests thuis of van de nauwkeurigere door de kliniek verstrekte PCR-tests met een langere verwerkingstijd. Nu kan een nieuw diagnostisch hulpmiddel, ontwikkeld door UC Santa Cruz Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering Holger Schmidt en zijn medewerkers, binnen enkele uren testen op SARS-CoV-2 en Zika-virus met dezelfde of betere nauwkeurigheid als uiterst nauwkeurige PCR-tests .

In een artikel in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences Schmidt en het projectteam beschrijven hun systeem, dat optofluidics en nanoporietechnologie combineert om een ​​laboratorium-op-een-chip diagnostisch systeem te creëren. Het succes van het team met diermodellen stemt hen hoopvol dat deze technologie een belangrijke innovatie kan zijn voor de toekomst van snelle diagnostiek.

"Dit zou het volgende grote diagnostische systeem kunnen worden", zegt Aaron Hawkins, hoogleraar Electrical and Computer Engineering aan de Brigham Young University en senior auteur van het artikel. "Je wordt ziek, je gaat naar het ziekenhuis of de dokter, en hun tests zijn afhankelijk van deze technologie. Er is een manier waarop dit daar [in een ziekenhuis of kliniek] kan worden geïnstalleerd, zodat je niet hoeft te wachten om je resultaten."

Dit onderzoek is het resultaat van een langdurige samenwerking tussen Schmidt, Hawkins en professor Jean Patterson van het Texas Biomedical Research Institute.

Snellere en nauwkeurigere tests

Hoewel PCR-testen momenteel de gouden standaard voor nauwkeurigheid voor virologische tests zijn, schiet de methode op verschillende manieren tekort. PCR-tests zijn zeer complex en vereisen chemische reacties die moeten worden uitgevoerd door ervaren operators, meestal in een centraal laboratorium, waarbij het soms dagen duurt voordat de testresultaten terug te krijgen zijn. Deze complexe reacties zijn nodig voor de amplificatie van viraal DNA of RNA, een proces waarbij meerdere kopieën van het genetische materiaal worden gemaakt, waardoor fouten kunnen worden geïntroduceerd en versterkt.

PCR-tests kunnen ook alleen nucleïnezuren detecteren, het materiaal waaruit DNA en RNA bestaat. Maar bij sommige ziekten kan het ongelooflijk nuttig zijn om andere biomarkers, zoals eiwitten, te detecteren.

Het nieuwe diagnosehulpmiddel lost beide problemen op. Het vereist weinig monstervoorbereiding en is volledig amplificatievrij en labelvrij, wat betekent dat er geen licht wordt gebruikt om biomarkers te identificeren. Dit vermindert de tijd en complexiteit van het diagnoseproces dramatisch.

"Het potentieel is enorm", zei Patterson. "Het idee dat je niet hoeft te amplificeren om nauwkeurige resultaten te krijgen is een enorme vooruitgang, vergelijkbaar met hoe PCR een ongelooflijke stap voorwaarts was toen het uitkwam."

Diagnostisch ontwerp

Het nieuwe diagnostische systeem combineert Schmidt's expertise op het gebied van optofluidica, de controle van kleine hoeveelheden vloeistoffen met lichtstralen, met een nanoporie voor het tellen van afzonderlijke nucleïnezuren om genetisch materiaal te lezen. De tool is ontworpen om te testen op Zika- en COVID-19-virussen, die de afgelopen jaren bijzonder medisch relevant zijn geweest en prioriteitsgebieden zijn voor de National Institutes of Health.

"We hebben een eenvoudig lab-op-een-chip-systeem gebouwd dat tests op miniatuurniveau kan uitvoeren met behulp van microfluïdica, siliciumchips en nanoporie-detectietechnologieën", zegt Mohammad Julker Neyen Sampad, Schmidt's afgestudeerde student en de eerste van de krant. auteur. "Eenvoudige, gemakkelijke ontwikkeling van tools met weinig middelen was ons doel, en ik geloof dat we daar zijn aangekomen."

Om de test uit te voeren, wordt een monster biovloeistof gemengd in een container met magnetische microkralen. Voor deze studie gebruikten de onderzoekers biovloeistoffen, waaronder speeksel en bloed van bavianen en zijdeaapjes van het Texas Biomedical Research Institute.

De microkralen zijn ontworpen met een bijpassende RNA-sequentie van de ziekte waarvoor de test bedoeld is om te detecteren. Als het bijvoorbeeld een COVID-19-detectietest is, zullen de microkralen strengen SARS-CoV-2-RNA bevatten. Als er SARS-CoV-2-virus in het monster aanwezig is, zal het RNA van het virus aan de kralen binden. Na een korte wachttijd trekt de onderzoeker de magnetische kralen naar de bodem van de container en spoelt al het andere eruit.

De kralen worden in een silicium microfluidics-chip geplaatst, ontworpen en vervaardigd door de groep van Hawkins, waar ze door een lang, dun kanaal stromen dat wordt bedekt door een ultradun membraan, waarvan Hawkins het ontwerp een 'technisch wonder' noemt. De kralen worden gevangen in een lichtstraal die ze tegen een muur in het kanaal duwt, die een nanoporie bevat, een kleine opening van slechts 20 nanometer in doorsnee. Ter vergelijking:een mensenhaar is ongeveer 80.000 tot 100.000 nanometer breed.

De onderzoekers passen warmte toe op de chip, waardoor de RNA-deeltjes van de korrels loskomen en in de nanoporie worden gezogen, die detecteert dat het virus-RNA aanwezig is.

Veelbelovende resultaten

Uit hun tests bleek dat de test het virus correct detecteerde voor elk monster dat de PCR-test kon detecteren, zelfs bij extreem lage concentraties van het virus. Er waren gevallen waarin de PCR-test een geval van een van de virussen niet kon detecteren, terwijl het systeem van Schmidt dat wel deed, wat aantoont dat hun systeem nauwkeuriger kan zijn dan PCR.

Over het algemeen is het microfluïdische systeem veel kleiner en minder complex dan een PCR-machine. Als dit concept als product op de markt wordt gebracht, zou het compacte formaat gemakkelijk in het laboratorium van een onderzoeker kunnen passen, waardoor veel snellere resultaten voor virologische tests mogelijk worden, de toegankelijkheid van tests wordt vergroot en de tijd tot resultaten wordt verkort van dagen tot uren.

"Als we een instrument uit dit systeem bouwen, zou een onderzoeker dat in het bioveiligheidsniveau-4-laboratorium kunnen hebben, waar het de kamer nooit verlaat, en je kunt er gewoon een beetje monstervloeistof in laten vallen en de test binnen een uur uitvoeren," zei Schmidt. "Ik denk dat dit het testen zou helpen versnellen."

De test werd uitgevoerd met zes verschillende biovloeistoffen, waaronder speeksel, bloed en keeluitstrijkjes, die verschillende virale ladingen kunnen bevatten. Dit kan onderzoekers in staat stellen beter te bestuderen hoe ziekten door het lichaam van verschillende dieren gaan.

Hoewel de test in de huidige fase is ontwikkeld om SARS-CoV-2- en Zika-virussen te detecteren, kunnen onderzoekers aanpassingen maken om elk virus te vinden waarvoor ze een genetisch monster hebben. Bij toekomstige ontwikkelingen plannen ze een verdere vereenvoudiging en minimalisering van het systeem, en maken ze het mogelijk om op meerdere soorten ziekten tegelijk te testen, een functie die ziektemultiplexing wordt genoemd.

Schmidt is ook van plan dit concept te gebruiken om diagnostische hulpmiddelen te ontwikkelen voor biomarkers voor kanker en andere gezondheidsproblemen die sporen van DNA/RNA of eiwit in het lichaam achterlaten. Het zal waarschijnlijk nog een paar jaar duren voordat dit concept gecommercialiseerd en op de markt gebracht wordt.

Meer informatie: Sampad, Mohammad Julker Neyen, Labelvrije en amplificatievrije virale RNA-kwantificering uit biovloeistoffen van primaten met behulp van een trapping-assisted optofluidisch nanoporiënplatform, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2400203121. doi.org/10.1073/pnas.2400203121

Journaalinformatie: Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen

Aangeboden door Universiteit van Californië - Santa Cruz