Velike epidemije, vključno s SARS, Ziko in Ebolo, ter pandemije, kot sta H1N1 in COVID-19, so zajele svet v zadnjih dveh desetletjih. Ker se izbruhi nalezljivih bolezni pojavljajo vse pogosteje, postaja vse bolj očitna potreba po razširitvi zmogljivosti diagnostike virusov in nadzornega testiranja za zajezitev epidemij in preprečevanje pandemije. Raziskovalci pod vodstvom Dino Di Carlo in Sam Emaminejad z Kalifornijske univerze v Los Angelesu (UCLA) so zdaj razvili ročni virusni diagnostični test, ki temelji na roju milimetrskih magnetov (imenovanih "ferroboti"). Tehnologija bi lahko znatno povečala prepustnost testiranja bolezni, hkrati pa zmanjšala stroške in uporabo redkih zalog.
Opis diagnostičnega laboratorijskega kompleta v Narava, raziskovalci opisujejo načelo delovanja in prilagodljivost platforme za multipleksno in združeno virusno testiranje. Poročajo tudi o rezultatih klinične študije z uporabo vzorcev posameznikov s simptomi COVID-19. Primerjava rezultatov testov z uporabo laboratorijskega kompleta z istimi vzorci, testiranimi na COVID-19 z uporabo zlatega standarda testa reverzne transkripcije-verižne reakcije s polimerazo (RT-PCR), je pokazala občutljivost testa 98 % in specifičnost 100 %.
Premagovanje pomanjkanja ponudbe in zmanjšanje stroškov
Med možnostmi za virusno diagnostiko in nadzorno testiranje kažejo testi pomnoževanja nukleinske kisline (NAAT) jasne prednosti pred testi na osnovi antigenov in protiteles v smislu občutljivosti, specifičnosti in zmožnosti hitrega zagotavljanja brez predhodnega ustvarjanja specifičnih diagnostičnih protiteles. Vendar pa prejšnje platforme za testiranje, ki temeljijo na NAAT, niso mogle izvesti integriranega ravnanja s tekočinami, analize in procesov samodejnih povratnih informacij, potrebnih za doseganje prilagodljivih delovnih tokov in povečanje učinkovitosti presejanja bolezni.
Da bi premagali to pomanjkljivost, so raziskovalci UCLA ustvarili programabilno platformo na osnovi tiskanega vezja v velikosti dlani, ki vzporedno izvaja ravnanje s tekočinami in bioanalitične operacije. V nasprotju s prejšnjimi metodami, ki so zahtevale obsežne instrumente, ki zahtevajo veliko virov, miniaturizirana platforma zagotavlja znatne prihranke pri stroških v širokem razponu razširjenosti virusov, hkrati pa nudi visoko natančnost, robustnost, prilagodljivost in razširljivost.
»Naša ročna laboratorijska tehnologija bi lahko pomagala premagati nekatere ovire pomanjkanja in dostopa do testov, zlasti na začetku pandemije, ko je najbolj ključnega pomena nadzor nad širjenjem bolezni,« pravi Emaminejad. "Poleg njegovega potenciala za reševanje vprašanj pomanjkanja zalog in velikega povpraševanja bi ga bilo mogoče široko prilagoditi za testiranje številnih vrst bolezni na terenu in z laboratorijsko kakovostjo."
Prehod na multipleksno in združeno testiranje
Raziskovalci so razvili nabor operacij za odkrivanje prisotnosti genskega materiala iz virusa – v tem primeru SARS-CoV-2, ki povzroča COVID-19. Vezje nadzoruje roj ferrobotov za transport magnetiziranih vzorcev skozi diagnostični potek dela NAAT, vključno z avtomatiziranim transportom, alikvotiranjem, združevanjem, mešanjem in segrevanjem kapljic vzorcev za pomnoževanje reakcijskega produkta (DNK). Končno se rezultati določijo na podlagi spremembe barve indikatorja pH, kar omogoča binarno interpretacijo testa, nad ali pod pragom, kot pozitivnega oziroma negativnega.
Raziskovalci UCLA so pokazali tudi paralelizacijo – premikanje številnih ferrobotov hkrati z uporabo elektromagnetnih ploščic v vezju – kot tudi zaporedne operacije opravil na način sodelovanja vsakega ferrobota (v koordinaciji z drugimi ferroboti).
»Kompaktna zasnova te platforme in avtomatizirano ravnanje z vzorci omogočata enostavno implementacijo združenega testiranja, kjer lahko testirate na desetine vzorcev pacientov hkrati in vse z enakimi materiali, ki so trenutno potrebni za testiranje le enega pacienta,« pravi Di Carlo. "Na primer, lahko testirate študente v celotnem študentskem domu s samo nekaj ducati testnih kompletov."
Prilagodljiv biosenzor hitro zazna virus COVID-19 in protitelesa
Z implementacijo algoritma združenega testiranja, ki lahko testira do 16 vzorcev v enem testu, sistem zahteva veliko nižje stroške reagenta, kot je potrebno za posamezno testiranje vzorcev. Če je skupni test pokazal pozitiven rezultat, se znotraj platforme izvede nadaljnji poenostavljeni niz operacij, dokler niso identificirani dejanski pozitivni vzorci. Raziskovalci ugotavljajo, da bi lahko stroške kemičnih reagentov na koncu zmanjšali za 10- do 300-krat, odvisno od razširjenosti virusa.
Poleg testiranja več bolezni hkrati lahko platforma analizira veliko število vhodnih vzorcev vzporedno in asinhrono, ko prispejo, s čimer se izogne čakalnim časom, povezanim s serijsko obdelavo. Kot taka skupina zaključuje, da ta tehnologija služi kot obetavna rešitev za povečanje zmogljivosti testiranja na svetovni ravni za pripravljenost na epidemijo in pandemijo.
