Viimase kahe aastakümne jooksul on maailma haaranud suured epideemiad, sealhulgas SARS, Zika ja Ebola, ning pandeemiad nagu H1N1 ja COVID-19. Kuna nakkushaiguste puhangud ilmnevad üha sagedamini, muutub üha selgemaks vajadus suurendada viirusdiagnostika ja seire testimise suutlikkust, et ohjeldada epideemiaid ja ennetada pandeemiaid. Teadlased eesotsas Dino di Carlo ja Sam Emaminejad California ülikoolist Los Angeleses (UCLA) on nüüd välja töötanud käeshoitava viirusdiagnostika testi, mis põhineb millimeetri suurustel magnetitel (mida nimetatakse "ferrobotideks"). See tehnoloogia võib märkimisväärselt suurendada haiguste testimise läbilaskevõimet, minimeerides samal ajal kulusid ja nappide varude kasutamist.
Diagnostilise laborikomplekti kirjeldus loodus, kirjeldavad teadlased multipleksitud ja ühendatud viirustestimise platvormi tööpõhimõtet ja kohandatavust. Nad teatavad ka kliinilise uuringu tulemustest, milles kasutati COVID-19 sümptomitega inimestelt võetud proove. Laborikomplekti katsetulemuste võrdlemine samade proovidega, mida testiti COVID-19 suhtes kuldstandardi pöördtranskriptsiooni-polümeraasi ahelreaktsiooni (RT-PCR) testiga, näitas testi tundlikkus 98% ja spetsiifilisus 100%.
Tarnepuuduse ületamine ja kulude vähendamine
Viiruse diagnostika ja seire testimise võimaluste hulgas näitavad nukleiinhappe amplifikatsioonitestid (NAAT) antigeeni- ja antikehapõhiste testide ees selgeid eeliseid tundlikkuse, spetsiifilisuse ja kiire andmise võime osas ilma spetsiifilisi diagnostilisi antikehi eelneva genereerimiseta. Varasemad NAAT-põhised testimisplatvormid ei suutnud aga läbi viia integreeritud vedeliku käitlemise, analüüsi ja automaatse tagasiside protsesse, mis on vajalikud paindlike töövoogude saavutamiseks ja haiguste sõeluuringu efektiivsuse maksimeerimiseks.
Selle puudujäägi ületamiseks lõid UCLA teadlased peopesa suuruse trükkplaadil põhineva programmeeritava platvormi, mis teostab paralleelselt vedeliku käitlemist ja bioanalüütilisi toiminguid. Erinevalt eelmistest meetoditest, mis nõudsid mahukaid ja ressursimahukaid instrumente, võimaldab miniatuurne platvorm märkimisväärselt säästa kulusid paljudes viiruste levimuses, pakkudes samal ajal suurt täpsust, vastupidavust, kohandatavust ja mastaapsust.
"Meie pihuarvutite laboritehnoloogia võib aidata ületada mõningaid nappuse ja testidele juurdepääsu tõkkeid, eriti pandeemia varases staadiumis, kui haiguse leviku tõkestamine on kõige olulisem," ütleb Emaminejad. "Ja lisaks sellele, et see suudab lahendada varude nappuse ja suure nõudluse probleeme, saab seda laialdaselt kohandada mitmesuguste haiguste testimiseks kohapeal ja laborikvaliteediga."
Liikumine multipleksitud ja ühendatud testimisele
Teadlased töötasid välja operatsioonide komplekti, et tuvastada viiruse – antud juhul COVID-2 põhjustava SARS-CoV-19 – geneetilise materjali olemasolu. Trükkplaat juhib ferrobotite parve, et transportida magnetiseeritud proove läbi diagnostilise NAAT töövoo, sealhulgas proovipiiskade automatiseeritud transportimise, alikvootide jaotamise, liitmise, segamise ja kuumutamise reaktsiooniprodukti (DNA) võimendamiseks. Lõpuks määratakse tulemused pH-indikaatori värvimuutuse põhjal, mis võimaldab testi binaarselt tõlgendada, kas üle- või allapoole läve, vastavalt positiivseks või negatiivseks.
UCLA teadlased demonstreerisid ka paralleelseerimist – paljude ferrobotite liigutamist samaaegselt, kasutades vooluringis elektromagnetilisi plaate –, samuti iga ferroboti järjestikuseid ülesandeid koostöös (koos teiste ferrobotidega).
"Selle platvormi kompaktne disain ja proovide automatiseeritud käsitsemine võimaldavad hõlpsalt rakendada koondtestimist, kus saate samaaegselt testida kümneid patsiendiproove ja seda kõike samade materjalidega, mida praegu kulub vaid ühe patsiendi testimiseks," ütleb Di Carlo. "Näiteks saate testida õpilasi terves kolledži eluruumis vaid mõnekümne testikomplektiga."
Kohandatav biosensor tuvastab kiiresti COVID-19 viiruse ja antikehad
Rakendades ühendatud testimisalgoritmi, mis suudab testida kuni 16 proovi ühe testiga, nõuab süsteem palju väiksemaid reaktiivikulusid, kui on vaja proovide individuaalseks testimiseks. Kui koondtest näitas positiivset tulemust, viiakse platvormil läbi järgnev sujuvam toimingute komplekt, kuni tuvastatakse tegelikud positiivsed proovid. Lõppkokkuvõttes märgivad teadlased, et keemilise reaktiivi kulusid võib sõltuvalt viiruse levimusest vähendada 10–300 korda.
Lisaks mitme haiguse samaaegsele testimisele saab platvorm analüüsida suurt hulka sisendproove paralleelselt ja asünkroonselt nende saabumisel, vältides partiitöötlusega seotud ooteaegu. Sellisena järeldab meeskond, et see tehnoloogia on paljutõotav lahendus epideemiaks ja pandeemiaks valmisoleku testimisvõimsuse suurendamiseks kogu maailmas.
