De uitbraak van de COVID-pandemie in 2020 heeft opnieuw aangetoond hoe belangrijk betrouwbare en snelle detectiemethoden zijn om effectieve maatregelen ter bestrijding van een pandemie te initiëren. Wetenschappers van de leerstoel Materiaalkunde en Nanotechnologie aan de TU Dresden (TUD) hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van zeer innovatieve oplossingen voor de detectie van virale pathogenen in twee onderzoeken die ze onlangs presenteerden.

De resultaten van hun werk zijn nu gepubliceerd in de tijdschriften ACS Applied Materials &Interfaces en Geavanceerde materiaalinterfaces .

Op maat gemaakte, krachtige en aanpasbare nano-elektronische sensoren vertegenwoordigen een veelbelovende aanpak voor de bestrijding van zowel huidige als toekomstige pandemieën. Deze sensoren maken niet alleen conventionele diagnose mogelijk bij vermoedelijke uitbraken, maar ook een continue monitoring van de omgevingslucht in bussen, treinen, scholen of gezondheidszorginstellingen. Dit betekent dat er passende en onmiddellijke maatregelen kunnen worden genomen zodra virussen de kop opsteken.

Sinds 2020 werken de wetenschappers uit Dresden intensief aan de ontwikkeling van geminiaturiseerde sensoren voor de nauwkeurige en efficiënte detectie van SARS-CoV-2-antigenen. Naast het TUD-team onder leiding van prof. Gianaurelio Cuniberti en dr. Bergoi Ibarlucea, wetenschappers van het European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Hamburg, het Leibniz Institute of Polymer Research (IPF) Dresden en de Pohang University of Science and Technology ( POSTECH) in Korea waren ook bij de twee onderzoeken betrokken.

Sybodies:een revolutie in biologische herkenning

De eerste studie, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Applied Materials &Interfaces beschrijft een baanbrekende innovatieve aanpak die de nauwkeurigheid en snelheid van de detectie van SARS-CoV-2-antigeen aanzienlijk verhoogt. Het gaat om het inbrengen van synthetische nanobodies, bekend als sybodies, in biosensoren als receptoren.

"Sybodies vertegenwoordigen een snel, duurzaam en ethisch verantwoord alternatief dat, in tegenstelling tot conventionele antilichamen, wordt ontwikkeld en vervaardigd met behulp van niet-dierlijke methoden", zegt prof. Gianaurelio Cuniberti, die beide onderzoeken coördineerde met dr. Bergoi Ibarlucea.

"Een ander belangrijk voordeel van het gebruik van sybodies is hun kleinere formaat vergeleken met antilichamen, zodat biologische herkenningsprocessen veel dichter bij het sensoroppervlak kunnen plaatsvinden, waardoor de signaalsterkte toeneemt en de sensoren veel sneller en gevoeliger worden", voegt hij eraan toe. De eerste tests zijn met succes uitgevoerd met op silicium nanodraden gebaseerde veldeffecttransistoren die zijn gemodificeerd met sybodies, wat het grote toepassingspotentieel van deze aanpak aantoont.

Het verlies aan gevoeligheid in biologische vloeistoffen overwinnen

In het tweede artikel, gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials Interfaces onderzocht het team hoe de gevoeligheid van de sensoren toeneemt wanneer ze in biologische vloeistoffen werken. Dergelijke monsters hebben een complexe moleculaire samenstelling, die het detectiebereik van de sensor ernstig beperkt.

Om dit probleem op te lossen ontwikkelden de wetenschappers een speciale oppervlaktemodificatie met een hydrogel op basis van het diëlektrische polymeer polyethyleenglycol. Hierdoor kunnen metingen rechtstreeks in speeksel en andere monsters van patiënten worden uitgevoerd, en zijn er geen tijdrovende en dure monstervoorbereidingsstappen nodig.

Meer informatie: Chi Zhang et al., Sybodies als nieuwe bioreceptoren richting veldeffecttransistorgebaseerde detectie van SARS-CoV-2-antigenen, Toegepaste materialen en interfaces van ACS (2023). DOI:10.1021/acsami.3c06073

Alexandra Parichenko et al., Hydrogel-Gated Silicon Nanotransistors voor SARS-CoV-2 Antigeendetectie in fysiologische ionsterkte, Geavanceerde materiaalinterfaces (2023). DOI:10.1002/admi.202300391

Journaalinformatie: Toegepaste materialen en interfaces van ACS

Aangeboden door de Technische Universiteit van Dresden