Główne epidemie, w tym SARS, Zika i Ebola, oraz pandemie, takie jak H1N1 i COVID-19, ogarnęły świat w ciągu ostatnich dwóch dekad. W miarę jak ogniska chorób zakaźnych pojawiają się z coraz większą regularnością, coraz bardziej widoczna staje się potrzeba rozszerzenia możliwości diagnostyki wirusowej i testów kontrolnych w celu powstrzymania epidemii i zapobiegania pandemiom. Badacze pod kierunkiem Dino Di Carlo i Sama Emaminejada z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA) opracowali podręczny wirusowy test diagnostyczny oparty na roju milimetrowych magnesów (zwanych „ferrobotami”). Technologia może znacznie zwiększyć przepustowość testów na choroby, jednocześnie minimalizując koszty i zużycie ograniczonych zasobów.
Opis zestawu do laboratorium diagnostycznego w Natura, naukowcy przedstawiają zasadę działania i możliwości adaptacji platformy do multipleksowanych i połączonych testów wirusowych. Podają również wyniki badania klinicznego z wykorzystaniem próbek od osób z objawami COVID-19. Porównanie wyników testu przy użyciu zestawu laboratoryjnego z tymi samymi próbkami przetestowanymi pod kątem COVID-19 przy użyciu złotego standardu testu reakcji łańcuchowej polimerazy z odwrotną transkrypcją (RT-PCR) wykazało, że czułość testu wynosi 98%, a specyficzność 100%.
Przezwyciężanie niedoborów dostaw i obniżanie kosztów
Wśród opcji wirusowych testów diagnostycznych i kontrolnych testy amplifikacji kwasów nukleinowych (NAAT) wykazują wyraźną przewagę nad testami opartymi na antygenach i przeciwciałach pod względem czułości, swoistości i możliwości szybkiego dostarczania bez wcześniejszego wytwarzania specyficznych przeciwciał diagnostycznych. Jednak poprzednie platformy testowe oparte na NAAT nie były w stanie przeprowadzić zintegrowanej obsługi cieczy, analizy i automatycznych procesów sprzężenia zwrotnego potrzebnych do osiągnięcia elastycznych przepływów pracy i maksymalizacji wydajności badań przesiewowych chorób.
Aby przezwyciężyć ten brak, naukowcy z UCLA stworzyli programowalną platformę wielkości dłoni, opartą na płytce drukowanej, która wykonuje operacje związane z obsługą cieczy i operacje bioanalityczne w sposób równoległy. W przeciwieństwie do poprzednich metod, które wymagały nieporęcznych, zasobochłonnych instrumentów, zminiaturyzowana platforma zapewnia znaczne oszczędności kosztów w szerokim zakresie rozpowszechnienia wirusów, oferując jednocześnie wysoką precyzję, solidność, elastyczność i skalowalność.
„Nasza podręczna technologia laboratoryjna może pomóc w pokonaniu niektórych barier związanych z niedoborem i dostępem do testów, zwłaszcza na wczesnym etapie pandemii, kiedy najważniejsze jest kontrolowanie rozprzestrzeniania się choroby” – mówi Emaminejad. „A poza jego potencjałem w zakresie rozwiązywania problemów związanych z krótkimi dostawami i wysokim popytem, można go szeroko dostosować do testowania wielu rodzajów chorób w terenie iz jakością laboratoryjną”.
Przejście do testów multipleksowanych i połączonych
Naukowcy opracowali zestaw operacji do wykrywania obecności materiału genetycznego wirusa – w tym przypadku SARS-CoV-2, który powoduje COVID-19. Płytka drukowana kontroluje rój ferrobotów do transportu namagnesowanych próbek przez diagnostyczny przepływ pracy NAAT, w tym zautomatyzowany transport, dzielenie na porcje, łączenie, mieszanie i ogrzewanie kropelek próbek w celu amplifikacji produktu reakcji (DNA). Ostatecznie wyniki są określane na podstawie zmiany koloru wskaźnika pH, co umożliwia binarną interpretację testu, powyżej lub poniżej progu, odpowiednio jako dodatni lub ujemny.
Naukowcy z UCLA zademonstrowali również równoległość – poruszanie wieloma ferrobotami w tym samym czasie za pomocą płytek elektromagnetycznych w obwodzie – a także sekwencyjne operacje zadań w sposób współpracujący przez każdego ferrobota (w koordynacji z innymi ferrobotami).
„Kompaktowa konstrukcja tej platformy i zautomatyzowana obsługa próbek umożliwiają łatwe wdrażanie testów zbiorczych, w których można testować dziesiątki próbek pacjentów w tym samym czasie i wszystkie z tych samych materiałów, które są obecnie potrzebne do badania tylko jednego pacjenta” — mówi Di Carlo. „Na przykład można przetestować studentów w całym akademiku za pomocą zaledwie kilkudziesięciu zestawów testowych”.
Adaptowalny biosensor szybko wykrywa wirusa COVID-19 i przeciwciała
Dzięki wdrożeniu algorytmu testowania zbiorczego, który może przetestować do 16 próbek w jednym teście, system wymaga znacznie niższych kosztów odczynników niż jest to potrzebne do testowania pojedynczych próbek. Jeśli test zbiorczy dał wynik pozytywny, w ramach platformy odbywa się kolejny usprawniony zestaw operacji, aż do zidentyfikowania faktycznie pozytywnych próbek. Ostatecznie naukowcy zauważają, że koszty odczynników chemicznych można zmniejszyć od 10 do 300 razy, w zależności od rozpowszechnienia wirusów.
Oprócz jednoczesnego testowania kilku chorób, platforma może analizować dużą liczbę próbek wejściowych równolegle i asynchronicznie w miarę ich nadejścia, unikając czasu oczekiwania związanego z przetwarzaniem wsadowym. W związku z tym zespół stwierdza, że technologia ta stanowi obiecujące rozwiązanie umożliwiające globalne zwiększenie możliwości testowania gotowości na wypadek epidemii i pandemii.
