Suuret epidemiat, mukaan lukien SARS, Zika ja Ebola, sekä pandemiat, kuten H1N1 ja COVID-19, ovat vallanneet maailmaa viimeisen kahden vuosikymmenen aikana. Tartuntatautiepidemioiden ilmaantuessa yhä säännöllisemmin, tarve laajentaa virusdiagnostiikka- ja valvontatestauskapasiteettia epidemioiden hillitsemiseksi ja pandemioiden ehkäisemiseksi tulee asteittain ilmeiseksi. Tutkijat johtivat Dino di Carlo ja Sam Emaminejad Kalifornian yliopistosta Los Angelesista (UCLA) ovat nyt kehittäneet kädessä pidettävän virusdiagnostiikkatestin, joka perustuu millimetrin kokoisiin magneettiparviin (nimeltään "ferrobotit"). Teknologia voisi merkittävästi lisätä tautien testauksen tehokkuutta ja samalla minimoida kustannukset ja niukkojen tarvikkeiden käytön.
Diagnostiikan laboratoriosarjan kuvaus luonto, tutkijat hahmottelevat alustan toimintaperiaatetta ja soveltuvuutta multipleksoituun ja yhdistettyyn virustestaukseen. He raportoivat myös tuloksia kliinisestä tutkimuksesta, jossa käytettiin näytteitä henkilöiltä, joilla on COVID-19-oireita. Testitulosten vertaaminen laboratoriosarjalla samoihin näytteisiin, jotka testattiin COVID-19:n varalta kultastandardin käänteistranskriptiopolymeraasiketjureaktio (RT-PCR) -määrityksellä, paljasti testin herkkyyden 98 % ja spesifisyyden 100 %.
Tarjontapulan voittaminen ja kustannusten alentaminen
Virusdiagnostiikka- ja valvontatestauksen vaihtoehdoista nukleiinihappoamplifikaatiotestit (NAAT) osoittavat selkeitä etuja antigeeni- ja vasta-ainepohjaisiin testeihin verrattuna herkkyyden, spesifisyyden ja nopean toimittamisen kyvyn suhteen ilman spesifisten diagnostisten vasta-aineiden aiempaa tuotantoa. Aiemmat NAAT-pohjaiset testausalustat eivät kuitenkaan pystyneet suorittamaan integroituja nesteenkäsittely-, analyysi- ja automaattisia palauteprosesseja, joita tarvitaan joustavien työnkulkujen saavuttamiseksi ja tautien seulonnan tehokkuuden maksimoimiseksi.
Tämän puutteen voittamiseksi UCLA:n tutkijat loivat kämmenen kokoisen piirilevypohjaisen ohjelmoitavan alustan, joka suorittaa nesteenkäsittely- ja bioanalyyttisiä toimintoja rinnakkain. Toisin kuin aikaisemmissa menetelmissä, jotka vaativat isoja, resurssiintensiivisiä instrumentteja, miniatyyrisoitu alusta tarjoaa huomattavia kustannussäästöjä laajalla viruksen levinneisyysalueella ja tarjoaa samalla suurta tarkkuutta, kestävyyttä, mukautumiskykyä ja skaalautuvuutta.
"Kädessä pidettävä laboratorioteknologiamme voisi auttaa ylittämään joitain niukkuuden ja testien saatavuuden esteitä, etenkin pandemian alkuvaiheessa, jolloin on erittäin tärkeää hallita taudin leviämistä", Emaminejad sanoo. "Ja sen lisäksi, että se pystyy käsittelemään niukkoihin ja suureen kysyntään liittyviä ongelmia, se voitaisiin laajasti mukauttaa testaamaan monenlaisia sairauksia kentällä ja laboratoriolaatuisella laadulla."
Siirrytään multipleksoituun ja pooloituun testaukseen
Tutkijat kehittivät toimenpidesarjan viruksen – tässä tapauksessa COVID-2:n aiheuttavan SARS-CoV-19:n – geneettisen materiaalin havaitsemiseksi. Piirilevy ohjaa parvia ferrobotteja kuljettamaan magnetoituja näytteitä diagnostisen NAAT-työnkulun kautta, mukaan lukien näytepisaroiden automaattinen kuljetus, jakaminen, yhdistäminen, sekoittaminen ja lämmitys reaktiotuotteen (DNA) vahvistamiseksi. Lopuksi tulokset määritetään pH-indikaattorin värinmuutoksen perusteella, mikä mahdollistaa testin binäärisen tulkinnan kynnyksen ylä- tai alapuolella, vastaavasti positiiviseksi tai negatiiviseksi.
UCLA:n tutkijat osoittivat myös rinnakkaisuuden – useiden ferrobottien siirtämisen samanaikaisesti käyttämällä sähkömagneettisia laattoja piirissä – sekä peräkkäisiä tehtäväoperaatioita yhteistyössä kunkin ferrobotin toimesta (koordinoidusti muiden ferrobottien kanssa).
"Tämän alustan kompakti muotoilu ja automaattinen näytteiden käsittely mahdollistavat yhdistetyn testauksen helpon toteutuksen, jossa voit testata kymmeniä potilasnäytteitä samanaikaisesti ja kaikki samoilla materiaaleilla, joita tällä hetkellä tarvitaan vain yhden potilaan testaamiseen", Di Carlo sanoo. "Voit esimerkiksi testata opiskelijoita koko yliopiston asuintalossa vain muutamalla kymmenellä testipakkauksella."
Mukautuva biosensori havaitsee nopeasti COVID-19-viruksen ja vasta-aineet
Ottamalla käyttöön yhdistetty testausalgoritmi, joka voi testata jopa 16 näytettä yhdessä määrityksessä, järjestelmä vaatii paljon pienemmät reagenssikustannukset kuin tarvitaan näytteiden testaamiseen yksittäin. Jos yhdistetty testi osoitti positiivisen tuloksen, seuraava virtaviivaistettu toimintosarja suoritetaan alustassa, kunnes todelliset positiiviset näytteet tunnistetaan. Lopulta tutkijat huomauttavat, että kemiallisten reagenssien kustannuksia voitaisiin vähentää 10-300 kertaa viruksen esiintyvyydestä riippuen.
Sen lisäksi, että alusta testaa useita sairauksia samanaikaisesti, se pystyy analysoimaan suuren määrän tulonäytteitä rinnakkain ja asynkronisesti niiden saapuessa välttäen eräkäsittelyyn liittyviä odotusaikoja. Sellaisenaan ryhmä päättelee, että tämä tekniikka toimii lupaavana ratkaisuna lisätä testauskapasiteettia maailmanlaajuisesti epidemioihin ja pandemiaan varautumiseen.
