Az elmúlt két évtizedben jelentős járványok, köztük a SARS, a Zika és az Ebola, valamint a H1N1 és a COVID-19 járványok uralták a világot. Ahogy a fertőző betegségek kitörései egyre rendszeresebben jelennek meg, egyre nyilvánvalóbbá válik a vírusdiagnosztikai és felügyeleti tesztelési kapacitás bővítésének szükségessége a járványok megfékezése és a világjárványok megelőzése érdekében. A kutatók vezetésével Dino Di Carlo és a Sam Emaminejad a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetemről (UCLA) most kifejlesztettek egy kézi vírusdiagnosztikai tesztet, amely milliméteres méretű mágnesek ("ferrobotok") rajján alapul. A technológia jelentősen növelheti a betegségtesztek teljesítményét, miközben minimalizálja a költségeket és a szűkös készletek felhasználását.
A diagnosztikai laborkészlet leírása Természet, a kutatók felvázolják a platform működési elvét és alkalmazkodóképességét a multiplex és összevont vírustesztekhez. Egy olyan klinikai vizsgálat eredményeiről is beszámolnak, amelyek COVID-19 tüneteit mutató személyektől vett mintákat vettek igénybe. A laboratóriumi kittel végzett vizsgálati eredmények összehasonlítása ugyanazokkal a mintákkal, amelyeket COVID-19-re teszteltek az aranystandard reverz transzkripciós-polimeráz láncreakciós (RT-PCR) vizsgálattal, a teszt szenzitivitása 98%-os, specificitása pedig 100%.
Az ellátási hiány leküzdése és a költségek csökkentése
A vírusdiagnosztikai és felügyeleti vizsgálatok lehetőségei közül a nukleinsav-amplifikációs tesztek (NAAT) egyértelmű előnyöket mutatnak az antigén- és antitest-alapú tesztekkel szemben az érzékenység, a specifitás és a specifikus diagnosztikai antitestek előzetes generálása nélkül történő gyors ellátás képessége tekintetében. A korábbi NAAT-alapú tesztelési platformok azonban nem tudták végrehajtani a rugalmas munkafolyamatok eléréséhez és a betegségszűrés hatékonyságának maximalizálásához szükséges integrált folyadékkezelési, elemzési és automatikus visszacsatolási folyamatokat.
Ennek a hiányosságnak a kiküszöbölésére az UCLA kutatói tenyérnyi nyomtatott áramköri lapra épített programozható platformot hoztak létre, amely párhuzamosan végzi a folyadékkezelést és a bioanalitikai műveleteket. A korábbi módszerekkel ellentétben, amelyek terjedelmes, erőforrás-igényes műszereket igényeltek, a miniatürizált platform jelentős költségmegtakarítást eredményez a vírusok elterjedtségének széles tartományában, ugyanakkor nagy pontosságot, robusztusságot, alkalmazkodóképességet és méretezhetőséget kínál.
„Kézi laboratóriumi technológiánk segíthet leküzdeni a szűkösség és a vizsgálatokhoz való hozzáférés egyes akadályait, különösen a világjárvány korai szakaszában, amikor a betegségek terjedésének visszaszorítása a legfontosabb” – mondja Emaminejad. "És azon túlmenően, hogy képes megoldani a szűkös készletek és a nagy kereslet problémáit, széles körben adaptálható számos betegség terepen történő tesztelésére, laboratóriumi minőségben."
Áttérés a multiplex és összevont tesztelésre
A kutatók egy műveletsort dolgoztak ki a vírus – jelen esetben a COVID-2-et okozó SARS-CoV-19 – genetikai anyagának kimutatására. Az áramköri lap ferrobotok raját vezérli, hogy a mágnesezett mintákat a diagnosztikai NAAT munkafolyamaton keresztül szállítsák, beleértve a mintacseppek automatizált szállítását, alikvotozását, egyesítését, keverését és melegítését a reakciótermék (DNS) felerősítése érdekében. Végül az eredményeket egy pH-indikátor színváltozása alapján határozzák meg, amely lehetővé teszi a teszt bináris értelmezését, egy küszöbérték felett vagy alatt, pozitívként vagy negatívként.
Az UCLA kutatói a párhuzamosítást is demonstrálták – sok ferrobot egyidejű mozgatását elektromágneses csempék segítségével az áramkörben –, valamint az egyes ferrobotok (a többi ferrobottal koordinálva) egymás utáni feladatműveleteit is.
„A platform kompakt kialakítása és a minták automatizált kezelése lehetővé teszi az összevont tesztelés egyszerű megvalósítását, ahol több tucat betegminta tesztelhető egyszerre, és mindezt ugyanazokkal az anyagokkal, amelyek jelenleg csak egy beteg vizsgálatához szükségesek” – mondja Di Carlo. „Például néhány tucat tesztkészlettel tesztelheti a hallgatókat egy egész főiskola lakótermében.”
Az adaptálható bioszenzor gyorsan észleli a COVID-19 vírust és az antitesteket
Egy összevont tesztelési algoritmus megvalósításával, amely akár 16 mintát is képes tesztelni egyetlen vizsgálatban, a rendszer sokkal alacsonyabb reagensköltséget igényel, mint a minták egyenkénti teszteléséhez. Ha az összevont teszt pozitív eredményt mutatott, akkor a platformon belül egy további egyszerűsített műveletsor történik, amíg a tényleges pozitív mintákat azonosítják. Végül a kutatók megjegyzik, hogy a kémiai reagensek költségei 10-300-szorosára csökkenthetők a vírus prevalenciájától függően.
A több betegség egyidejű tesztelése mellett a platform nagyszámú bemeneti mintát tud párhuzamosan és aszinkron módon elemezni, amint azok megérkeznek, elkerülve a kötegelt feldolgozáshoz kapcsolódó várakozási időt. Mint ilyen, a csapat arra a következtetésre jutott, hogy ez a technológia ígéretes megoldásként szolgál a járványokra és világjárványokra való felkészültség globális tesztelési kapacitásának növelésére.
