Store epidemier, herunder SARS, Zika og Ebola, og pandemier som H1N1 og COVID-19 har grebet verden i de sidste to årtier. Efterhånden som udbrud af infektionssygdomme dukker op med stigende regelmæssighed, bliver behovet for at udvide kapaciteten til virusdiagnostik og overvågningstestning til at indeholde epidemier og forebygge pandemier gradvist tydeligt. Forskere ledet af Dino Di Carlo , Sam Emaminejad fra University of California, Los Angeles (UCLA) har nu udviklet en håndholdt viral diagnostisk test baseret på en sværm af millimeterstore magneter (kaldet "ferrobots"). Teknologien kan øge gennemløbet af sygdomstests betydeligt, samtidig med at omkostningerne og brugen af knappe forsyninger minimeres.
Beskriver det diagnostiske laboratoriesæt i Natur, skitserer forskerne arbejdsprincippet og tilpasningsevnen af platformen til multiplekset og poolet viral testning. De rapporterer også resultater fra en klinisk undersøgelse med prøver fra personer med COVID-19-symptomer. Sammenligning af testresultater ved hjælp af laboratoriesættet med de samme prøver testet for COVID-19 ved hjælp af guldstandard revers transkription-polymerase kædereaktion (RT-PCR) assay afslørede en testfølsomhed på 98 % og specificitet på 100 %.
Overvinde mangel på forsyninger og reducere omkostningerne
Blandt mulighederne for viral diagnostisk og overvågningstestning viser nukleinsyreamplifikationstests (NAAT'er) klare fordele i forhold til antigen- og antistofbaserede tests med hensyn til sensitivitet, specificitet og evnen til hurtig levering uden forudgående generering af specifikke diagnostiske antistoffer. Tidligere NAAT-baserede testplatforme var imidlertid ikke i stand til at udføre den integrerede væskehåndtering, analyse og automatiske feedback-processer, der var nødvendige for at opnå fleksible arbejdsgange og maksimere effektiviteten af sygdomsscreening.
For at overvinde denne mangel skabte UCLA-forskerne en printkortbaseret programmerbar platform i håndfladestørrelse, der udfører væskehåndtering og bioanalytiske operationer på en parallel måde. I modsætning til tidligere metoder, som krævede omfangsrige, ressourcekrævende instrumenter, leverer den miniaturiserede platform betydelige omkostningsbesparelser over en bred vifte af viral udbredelse, samtidig med at den tilbyder høj præcision, robusthed, tilpasningsevne og skalerbarhed.
"Vores håndholdte laboratorieteknologi kan hjælpe med at overvinde nogle af barriererne for knaphed og adgang til tests, især tidligt i en pandemi, hvor det er mest afgørende at kontrollere sygdomsspredning," siger Emaminejad. "Og ud over dets potentiale til at løse problemer med korte forsyninger og høj efterspørgsel, kunne den bredt tilpasses til at teste for mange typer sygdomme i marken og med laboratoriekvalitet."
Overgang til multiplekset og poolet test
Forskerne udviklede en række operationer til at opdage tilstedeværelsen af genetisk materiale fra en virus - i dette tilfælde SARS-CoV-2, der forårsager COVID-19. Kredskortet styrer en sværm af ferrobotter til at transportere magnetiserede prøver gennem den diagnostiske NAAT-arbejdsgang, herunder automatiseret transport, alikvotering, sammensmeltning, blanding og opvarmning af prøvedråber for at forstærke reaktionsproduktet (DNA). Til sidst bestemmes resultaterne ud fra en farveændring af en pH-indikator, som muliggør en binær fortolkning af testen, over eller under en tærskel, som henholdsvis positiv eller negativ.
UCLA-forskerne demonstrerede også parallelisering - at flytte mange af ferrobotterne på samme tid ved hjælp af elektromagnetiske fliser i kredsløbet - såvel som sekventielle opgaveoperationer på en kollaborativ måde af hver ferrobot (i koordination med de andre ferrobotter).
"Denne platforms kompakte design og automatiserede håndtering af prøver muliggør nemme implementeringer af poolet test, hvor du kan teste snesevis af patientprøver på samme tid, og alle med de samme materialer, som det i øjeblikket kræver for at teste kun én patient," siger Di Carlo. "For eksempel kan du teste studerende i et helt kollegium med blot et par dusin testsæt."
Tilpasningsbar biosensor detekterer hurtigt COVID-19-virus og antistoffer
Ved at implementere en poolet testalgoritme, som kan teste op til 16 prøver i et enkelt assay, kræver systemet meget lavere reagensomkostninger end nødvendigt for at teste prøverne individuelt. Hvis den samlede test viste et positivt resultat, finder et efterfølgende strømlinet sæt operationer sted inden for platformen, indtil de faktiske positive prøver er identificeret. I sidste ende, bemærker forskerne, kan omkostningerne til kemiske reagenser reduceres med 10 til 300 gange afhængigt af den virale prævalens.
Ud over at teste for flere sygdomme samtidigt, kan platformen analysere et stort antal inputprøver parallelt og asynkront, efterhånden som de ankommer, og undgå ventetider forbundet med batchbehandling. Som sådan konkluderer holdet, at denne teknologi tjener som en lovende løsning til at øge testkapaciteten globalt for epidemier og pandemier.
