Epidemi besar, termasuk SARS, Zika dan Ebola, dan pandemi seperti H1N1 dan COVID-19 telah melanda dunia dalam dua dekade terakhir. Ketika wabah penyakit menular muncul dengan frekuensi yang meningkat, kebutuhan untuk memperluas kapasitas pengujian diagnostik dan surveilans virus untuk mengendalikan epidemi dan mencegah pandemi menjadi semakin jelas. Peneliti dipimpin oleh Dino Di Carlo dan Sam Emaminejad dari University of California, Los Angeles (UCLA) sekarang telah mengembangkan tes diagnostik virus genggam berdasarkan segerombolan magnet berukuran milimeter (disebut "ferrobots"). Teknologi ini dapat meningkatkan hasil pengujian penyakit secara signifikan, sambil meminimalkan biaya dan penggunaan pasokan yang langka.
Mendeskripsikan kit lab diagnostik di Alam, para peneliti menguraikan prinsip kerja dan kemampuan beradaptasi platform untuk pengujian virus multipleks dan gabungan. Mereka juga melaporkan hasil dari studi klinis yang menggunakan sampel dari individu dengan gejala COVID-19. Membandingkan hasil tes menggunakan kit lab dengan sampel yang sama yang diuji untuk COVID-19 menggunakan uji reaksi berantai transkripsi-polimerase balik standar emas (RT-PCR) mengungkapkan sensitivitas tes 98% dan spesifisitas 100%.
Mengatasi kekurangan pasokan dan mengurangi biaya
Di antara opsi untuk pengujian diagnostik dan surveilans virus, tes amplifikasi asam nukleat (NAAT) menunjukkan keunggulan yang jelas dibandingkan tes berbasis antigen dan antibodi, dalam hal sensitivitas, spesifisitas, dan kemampuan untuk penyediaan cepat tanpa pembuatan antibodi diagnostik spesifik sebelumnya. Namun, platform pengujian berbasis NAAT sebelumnya tidak dapat melakukan penanganan cairan terintegrasi, analisis, dan proses umpan balik otomatis yang diperlukan untuk mencapai alur kerja yang fleksibel dan memaksimalkan efisiensi penyaringan penyakit.
Untuk mengatasi kekurangan ini, para peneliti UCLA membuat platform yang dapat diprogram berbasis papan sirkuit tercetak seukuran telapak tangan yang melakukan penanganan cairan dan operasi bioanalitik secara paralel. Berbeda dengan metode sebelumnya, yang memerlukan instrumen besar dan intensif sumber daya, platform mini memberikan penghematan biaya yang besar pada berbagai prevalensi virus, sekaligus menawarkan presisi tinggi, ketangguhan, kemampuan beradaptasi, dan skalabilitas.
“Teknologi lab genggam kami dapat membantu mengatasi beberapa hambatan kelangkaan dan akses ke tes, terutama di awal pandemi, ketika hal itu paling penting untuk mengendalikan penyebaran penyakit,” kata Emaminejad. “Dan di luar potensinya untuk mengatasi masalah pasokan yang terbatas dan permintaan yang tinggi, ini dapat diadaptasi secara luas untuk menguji berbagai jenis penyakit di lapangan dan dengan kualitas tingkat laboratorium.”
Pindah ke pengujian multipleks dan gabungan
Para peneliti mengembangkan serangkaian operasi untuk mendeteksi keberadaan materi genetik dari virus – dalam hal ini, SARS-CoV-2 yang menyebabkan COVID-19. Papan sirkuit mengontrol segerombolan ferrobot untuk mengangkut sampel bermagnet melalui alur kerja NAAT diagnostik, termasuk transportasi otomatis, aliquoting, penggabungan, pencampuran, dan pemanasan tetesan sampel untuk memperkuat produk reaksi (DNA). Terakhir, hasil ditentukan berdasarkan perubahan warna indikator pH, yang memungkinkan interpretasi biner dari pengujian, di atas atau di bawah ambang batas, masing-masing sebagai positif atau negatif.
Para peneliti UCLA juga mendemonstrasikan paralelisasi – memindahkan banyak ferrobot pada saat yang sama menggunakan ubin elektromagnetik di sirkuit – serta operasi tugas berurutan secara kolaboratif oleh setiap ferrobot (berkoordinasi dengan ferrobot lainnya).
“Desain platform yang ringkas dan penanganan sampel otomatis memungkinkan penerapan pengujian gabungan yang mudah di mana Anda dapat menguji lusinan sampel pasien pada saat yang sama, dan semuanya dengan bahan yang sama yang saat ini diperlukan untuk menguji hanya satu pasien,” kata Di Carlo. “Misalnya, Anda dapat menguji siswa di seluruh asrama perguruan tinggi hanya dengan beberapa lusin alat tes.”
Biosensor yang dapat beradaptasi dengan cepat mendeteksi virus dan antibodi COVID-19
Dengan menerapkan algoritme pengujian gabungan, yang dapat menguji hingga 16 sampel dalam satu pengujian, sistem membutuhkan biaya reagen yang jauh lebih rendah daripada yang diperlukan untuk menguji sampel satu per satu. Jika tes gabungan menunjukkan hasil positif, serangkaian operasi berikutnya yang disederhanakan dilakukan di dalam platform sampai sampel positif yang sebenarnya teridentifikasi. Pada akhirnya, para peneliti mencatat, biaya reagen kimia dapat dikurangi 10 hingga 300 kali tergantung pada prevalensi virus.
Selain menguji beberapa penyakit secara bersamaan, platform ini dapat menganalisis sampel input dalam jumlah besar secara paralel dan asinkron saat sampel tersebut tiba, menghindari waktu tunggu yang terkait dengan pemrosesan batch. Dengan demikian, tim menyimpulkan bahwa teknologi ini berfungsi sebagai solusi yang menjanjikan untuk meningkatkan kapasitas pengujian secara global untuk kesiapsiagaan epidemi dan pandemi.
