Grote epidemieën, waaronder SARS, Zika en Ebola, en pandemieën zoals H1N1 en COVID-19 hebben de wereld de afgelopen twee decennia in hun greep gehouden. Naarmate er met toenemende regelmaat uitbraken van infectieziekten opduiken, wordt de noodzaak om de virale diagnostische en surveillancetestcapaciteit uit te breiden om epidemieën in te dammen en pandemieën te voorkomen, steeds duidelijker. Onderzoekers onder leiding van Dino di Carlo en Sam Emaminejad van de Universiteit van Californië, Los Angeles (UCLA) hebben nu een draagbare virale diagnostische test ontwikkeld op basis van een zwerm magneten van millimeterformaat ('ferrobots' genoemd). De technologie zou de doorvoer van ziektetesten aanzienlijk kunnen verhogen, terwijl de kosten en het gebruik van schaarse benodigdheden worden geminimaliseerd.
Beschrijving van de diagnostische labkit in NATUUR, schetsen de onderzoekers het werkingsprincipe en de aanpasbaarheid van het platform voor gemultiplexte en gepoolde virale testen. Ze rapporteren ook resultaten van een klinische studie met monsters van personen met COVID-19-symptomen. Het vergelijken van testresultaten met behulp van de laboratoriumkit met dezelfde monsters die zijn getest op COVID-19 met behulp van de gouden standaard reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) -test onthulde een testgevoeligheid van 98% en specificiteit van 100%.
Levertekorten oplossen en kosten verlagen
Onder de opties voor virale diagnostische en surveillancetests, laten nucleïnezuuramplificatietests (NAAT's) duidelijke voordelen zien ten opzichte van antigeen- en antilichaamgebaseerde tests, in termen van gevoeligheid, specificiteit en het vermogen voor snelle levering zonder voorafgaande aanmaak van specifieke diagnostische antilichamen. Eerdere op NAAT gebaseerde testplatforms waren echter niet in staat om de geïntegreerde vloeistofbehandeling, analyse en automatische feedbackprocessen uit te voeren die nodig zijn om flexibele workflows te realiseren en de efficiëntie van ziektescreening te maximaliseren.
Om dit tekort te ondervangen, creëerden de UCLA-onderzoekers een programmeerbaar platform ter grootte van een printplaat ter grootte van een handpalm dat parallelle verwerking van vloeistoffen en bioanalytische operaties uitvoert. In tegenstelling tot eerdere methoden, waarvoor omvangrijke, resource-intensieve instrumenten nodig waren, levert het geminiaturiseerde platform aanzienlijke kostenbesparingen op voor een breed scala aan virale prevalenties, terwijl het tegelijkertijd hoge precisie, robuustheid, aanpasbaarheid en schaalbaarheid biedt.
"Onze handheld-laboratoriumtechnologie kan enkele van de barrières van schaarste en toegang tot tests helpen overwinnen, vooral in het begin van een pandemie, wanneer het van cruciaal belang is om de verspreiding van ziekten onder controle te houden", zegt Emaminejad. "En naast het vermogen om problemen met een tekort aan voorraden en een grote vraag aan te pakken, zou het breed kunnen worden aangepast om op vele soorten ziekten in het veld en met kwaliteit van laboratoriumkwaliteit te testen."
Verhuizen naar multiplex en gepoold testen
De onderzoekers ontwikkelden een reeks operaties om de aanwezigheid van genetisch materiaal van een virus te detecteren – in dit geval SARS-CoV-2 dat COVID-19 veroorzaakt. De printplaat bestuurt een zwerm ferrobots om gemagnetiseerde monsters door de diagnostische NAAT-workflow te transporteren, inclusief geautomatiseerd transport, delen, samenvoegen, mengen en verwarmen van monsterdruppeltjes om het reactieproduct (DNA) te versterken. Ten slotte worden de resultaten bepaald op basis van een kleurverandering van een pH-indicator, die een binaire interpretatie van de test mogelijk maakt, boven of onder een drempel, als respectievelijk positief of negatief.
De UCLA-onderzoekers demonstreerden ook parallellisatie - veel van de ferrobots tegelijkertijd verplaatsen met behulp van elektromagnetische tegels in het circuit - evenals sequentiële taakoperaties op een collaboratieve manier door elke ferrobot (in coördinatie met de andere ferrobots).
"Het compacte ontwerp van dit platform en de geautomatiseerde verwerking van monsters maken eenvoudige implementaties van gepoolde tests mogelijk, waarbij u tientallen patiëntmonsters tegelijkertijd kunt testen, en allemaal met dezelfde materialen die momenteel nodig zijn om slechts één patiënt te testen", zegt Di Carlo. "Je zou bijvoorbeeld studenten in een hele studentenflat kunnen testen met slechts enkele tientallen testkits."
Aanpasbare biosensor detecteert snel het COVID-19-virus en antilichamen
Door een gepoold testalgoritme te implementeren, dat tot 16 monsters in een enkele assay kan testen, vereist het systeem veel lagere reagenskosten dan nodig is om de monsters afzonderlijk te testen. Als de gepoolde test een positief resultaat liet zien, vindt een volgende gestroomlijnde reeks bewerkingen plaats binnen het platform totdat de daadwerkelijke positieve monsters zijn geïdentificeerd. Uiteindelijk merken de onderzoekers op dat de kosten van chemische reagentia 10 tot 300 keer kunnen worden verlaagd, afhankelijk van de virale prevalentie.
Naast het gelijktijdig testen op verschillende ziekten, kan het platform een groot aantal invoermonsters parallel en asynchroon analyseren zodra ze binnenkomen, waardoor wachttijden die gepaard gaan met batchverwerking worden vermeden. Als zodanig concludeert het team dat deze technologie een veelbelovende oplossing is om de testcapaciteit wereldwijd te vergroten voor paraatheid bij epidemieën en pandemieën.
