Store epidemier, inkludert SARS, Zika og Ebola, og pandemier som H1N1 og COVID-19 har grepet verden de siste to tiårene. Etter hvert som utbrudd av infeksjonssykdommer dukker opp med økende regelmessighet, blir behovet for å utvide kapasiteten for virusdiagnostikk og overvåkingstesting for å inneholde epidemier og forhindre pandemier gradvis tydelig. Forskere ledet av Dino Di Carlo og Sam Emaminejad fra University of California, Los Angeles (UCLA) har nå utviklet en håndholdt viral diagnostisk test basert på en sverm av millimeterstore magneter (kalt «ferroboter»). Teknologien kan øke gjennomstrømningen av sykdomstesting betydelig, samtidig som kostnadene og bruken av knappe forsyninger reduseres.
Beskriver det diagnostiske laboratoriesettet i Natur, skisserer forskerne arbeidsprinsippet og tilpasningsevnen til plattformen for multiplekset og samlet viral testing. De rapporterer også resultater fra en klinisk studie med prøver fra personer med covid-19-symptomer. Sammenligning av testresultater ved bruk av laboratoriesettet med de samme prøvene testet for COVID-19 ved bruk av gullstandard revers transkripsjon-polymerasekjedereaksjon (RT-PCR)-analysen viste en testsensitivitet på 98 % og spesifisitet på 100 %.
Overvinne forsyningsmangel og redusere kostnadene
Blant alternativene for virusdiagnostikk og overvåkingstesting, viser nukleinsyreamplifikasjonstester (NAATs) klare fordeler fremfor antigen- og antistoffbaserte tester, når det gjelder sensitivitet, spesifisitet og evnen til rask levering uten forutgående generering av spesifikke diagnostiske antistoffer. Tidligere NAAT-baserte testplattformer var imidlertid ikke i stand til å utføre de integrerte væskehåndterings-, analyse- og automatiske tilbakemeldingsprosessene som er nødvendige for å oppnå fleksible arbeidsflyter og maksimere sykdomsscreeningseffektiviteten.
For å overvinne denne mangelen, skapte UCLA-forskerne en kretskortbasert programmerbar plattform i håndflatestørrelse som utfører væskehåndtering og bioanalytiske operasjoner på en parallell måte. I motsetning til tidligere metoder, som krevde voluminøse, ressurskrevende instrumenter, gir den miniatyriserte plattformen betydelige kostnadsbesparelser over et bredt spekter av viral prevalens, samtidig som den tilbyr høy presisjon, robusthet, tilpasningsevne og skalerbarhet.
"Vår håndholdte laboratorieteknologi kan bidra til å overvinne noen av barrierene for knapphet og tilgang til tester, spesielt tidlig i en pandemi, når det er mest avgjørende å kontrollere sykdomsspredning," sier Emaminejad. "Og utover potensialet til å løse problemer med knappe forsyninger og høy etterspørsel, kan den tilpasses bredt for å teste for mange typer sykdommer i feltet og med laboratoriekvalitet."
Går over til multipleks og samlet testing
Forskerne utviklet en rekke operasjoner for å oppdage tilstedeværelsen av genetisk materiale fra et virus – i dette tilfellet SARS-CoV-2 som forårsaker COVID-19. Kretskortet kontrollerer en sverm av ferroboter for å transportere magnetiserte prøver gjennom den diagnostiske NAAT-arbeidsflyten, inkludert automatisert transport, alikvotering, sammenslåing, blanding og oppvarming av prøvedråper for å forsterke reaksjonsproduktet (DNA). Til slutt bestemmes resultatene basert på en fargeendring av en pH-indikator, som muliggjør en binær tolkning av testen, over eller under en terskel, som henholdsvis positiv eller negativ.
UCLA-forskerne demonstrerte også parallellisering - flytte mange av ferrobotene samtidig ved å bruke elektromagnetiske fliser i kretsen - samt sekvensielle oppgaveoperasjoner på en samarbeidsmåte av hver ferrobot (i koordinering med de andre ferrobotene).
"Denne plattformens kompakte design og automatiserte håndtering av prøver muliggjør enkle implementeringer av samlet testing der du kan teste dusinvis av pasientprøver samtidig, og alle med de samme materialene som for øyeblikket trengs for å teste bare én pasient," sier Di Carlo. "Du kan for eksempel teste studenter i et helt universitetshjem med bare noen få dusin testsett."
Tilpassbar biosensor oppdager raskt COVID-19-virus og antistoffer
Ved å implementere en samlet testalgoritme, som kan teste opptil 16 prøver i en enkelt analyse, krever systemet mye lavere reagenskostnader enn nødvendig for å teste prøvene individuelt. Hvis den samlede testen viste et positivt resultat, vil et påfølgende strømlinjeformet sett med operasjoner finne sted på plattformen til de faktiske positive prøvene er identifisert. Til syvende og sist, bemerker forskerne, kan kostnadene for kjemiske reagenser reduseres med 10 til 300 ganger avhengig av viral utbredelse.
I tillegg til å teste for flere sykdommer samtidig, kan plattformen analysere et stort antall inngangsprøver parallelt og asynkront etter hvert som de ankommer, og unngå ventetider knyttet til batchbehandling. Som sådan konkluderer teamet med at denne teknologien fungerer som en lovende løsning for å øke testkapasiteten globalt for epidemier og pandemiberedskap.
