Крупные эпидемии, включая атипичную пневмонию, вирус Зика и лихорадку Эбола, а также такие пандемии, как H1N1 и COVID-19, охватили мир за последние два десятилетия. По мере того, как вспышки инфекционных заболеваний возникают все чаще, становится все более очевидной необходимость расширения возможностей вирусной диагностики и эпиднадзора для сдерживания эпидемий и предотвращения пандемий. Исследователи под руководством Дино Ди Карло и Сэм Эмаминеджад из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) разработали портативный диагностический тест на вирусы, основанный на множестве магнитов миллиметрового размера (называемых «ферроботами»). Эта технология может значительно увеличить производительность тестирования на заболевания, минимизируя при этом затраты и использование дефицитных расходных материалов.
Описание диагностического лабораторного набора в природа, исследователи обрисовывают в общих чертах принцип работы и адаптируемость платформы для мультиплексного и объединенного тестирования вирусов. Они также сообщают о результатах клинического исследования с использованием образцов от людей с симптомами COVID-19. Сравнение результатов теста с использованием лабораторного набора с теми же образцами, протестированными на COVID-19 с использованием золотого стандарта полимеразной цепной реакции с обратной транскрипцией (ОТ-ПЦР), показало чувствительность теста 98% и специфичность 100%.
Преодоление дефицита поставок и снижение затрат
Среди вариантов вирусной диагностики и эпиднадзора тесты амплификации нуклеиновых кислот (МАНК) демонстрируют явные преимущества перед тестами на основе антигенов и антител с точки зрения чувствительности, специфичности и возможности быстрого предоставления без предварительного создания специфических диагностических антител. Однако предыдущие платформы тестирования на основе NAAT не могли выполнять интегрированные процессы обработки жидкостей, анализа и автоматической обратной связи, необходимые для достижения гибких рабочих процессов и максимальной эффективности скрининга заболеваний.
Чтобы преодолеть этот недостаток, исследователи Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе создали программируемую платформу на основе печатной платы размером с ладонь, которая параллельно выполняет операции с жидкостями и биоаналитические операции. В отличие от предыдущих методов, которые требовали громоздких, ресурсоемких инструментов, миниатюрная платформа обеспечивает существенную экономию средств в широком диапазоне распространенности вируса, одновременно предлагая высокую точность, надежность, адаптивность и масштабируемость.
«Наши портативные лабораторные технологии могут помочь преодолеть некоторые препятствия, связанные с нехваткой и доступом к тестам, особенно в начале пандемии, когда наиболее важно контролировать распространение болезни», — говорит Эмаминежад. «Помимо его потенциала для решения проблем нехватки поставок и высокого спроса, он может быть широко адаптирован для тестирования многих типов заболеваний в полевых условиях и с качеством лабораторного уровня».
Переход к мультиплексному и объединенному тестированию
Исследователи разработали набор операций для обнаружения присутствия генетического материала вируса — в данном случае SARS-CoV-2, вызывающего COVID-19. Печатная плата управляет роем ферроботов для транспортировки намагниченных образцов через диагностический рабочий процесс NAAT, включая автоматическую транспортировку, аликвотирование, слияние, смешивание и нагревание капель образца для амплификации продукта реакции (ДНК). Наконец, результаты определяются на основе изменения цвета индикатора pH, что позволяет бинарно интерпретировать тест выше или ниже порога как положительный или отрицательный, соответственно.
Исследователи Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе также продемонстрировали распараллеливание — одновременное перемещение многих ферроботов с использованием электромагнитных плиток в цепи — а также последовательное выполнение задач совместно каждым ферроботом (в координации с другими ферроботами).
«Компактный дизайн этой платформы и автоматизированная обработка образцов позволяют легко реализовать объединенное тестирование, при котором вы можете тестировать десятки образцов пациентов одновременно и все с теми же материалами, которые в настоящее время требуются для тестирования только одного пациента», — говорит Ди Карло. «Например, вы можете протестировать студентов во всем общежитии колледжа, используя всего несколько десятков тестовых наборов».
Адаптируемый биосенсор быстро обнаруживает вирус COVID-19 и антитела
Благодаря внедрению объединенного алгоритма тестирования, который может тестировать до 16 образцов в одном анализе, система требует гораздо меньших затрат на реагенты, чем это необходимо для тестирования образцов по отдельности. Если объединенный тест показал положительный результат, последующий оптимизированный набор операций выполняется внутри платформы до тех пор, пока не будут идентифицированы фактические положительные образцы. В конечном итоге, отмечают исследователи, затраты на химические реагенты могут быть снижены от 10 до 300 раз в зависимости от распространенности вируса.
Помимо одновременного тестирования на несколько заболеваний, платформа может анализировать большое количество входных образцов параллельно и асинхронно по мере их поступления, избегая времени ожидания, связанного с пакетной обработкой. Таким образом, команда приходит к выводу, что эта технология служит многообещающим решением для увеличения возможностей тестирования во всем мире для обеспечения готовности к эпидемиям и пандемиям.
