Stora epidemier, inklusive SARS, Zika och Ebola, och pandemier som H1N1 och COVID-19 har gripit världen under de senaste två decennierna. När utbrott av infektionssjukdomar dyker upp med ökande regelbundenhet, blir behovet av att utöka kapaciteten för virusdiagnostik och övervakningstestning för att innehålla epidemier och förhindra pandemier gradvis uppenbart. Forskare under ledning av Dino Di Carlo och Sam Emaminejad från University of California, Los Angeles (UCLA) har nu utvecklat ett handhållet viralt diagnostiskt test baserat på en svärm av millimeterstora magneter (kallade "ferrobotar"). Tekniken kan avsevärt öka genomströmningen av sjukdomstestning, samtidigt som kostnaderna och användningen av knappa förråd minimeras.
Beskriver det diagnostiska laboratoriet i Natur, skisserar forskarna arbetsprincipen och anpassningsförmågan hos plattformen för multiplexerad och poolad viral testning. De rapporterar också resultat från en klinisk studie med prover från individer med COVID-19-symtom. Att jämföra testresultat med hjälp av laboratoriesatsen med samma prover som testats för COVID-19 med hjälp av guldstandarden omvänd transkription-polymeraskedjereaktion (RT-PCR)-analysen visade en testkänslighet på 98 % och specificitet på 100 %.
Att övervinna försörjningsbrist och minska kostnaderna
Bland alternativen för virusdiagnostik och övervakningstestning visar nukleinsyraamplifieringstest (NAAT) tydliga fördelar jämfört med antigen- och antikroppsbaserade tester, när det gäller känslighet, specificitet och förmågan till snabb tillhandahållande utan föregående generering av specifika diagnostiska antikroppar. Tidigare NAAT-baserade testplattformar kunde dock inte utföra den integrerade vätskehantering, analys och automatiska återkopplingsprocesser som behövs för att uppnå flexibla arbetsflöden och maximera effektiviteten i sjukdomsscreeningen.
För att övervinna denna brist skapade UCLA-forskarna en kretskortsbaserad programmerbar plattform i palmstorlek som utför vätskehantering och bioanalytiska operationer på ett parallellt sätt. I motsats till tidigare metoder, som krävde skrymmande, resurskrävande instrument, ger den miniatyriserade plattformen betydande kostnadsbesparingar över ett brett spektrum av virusprevalens, samtidigt som den erbjuder hög precision, robusthet, anpassningsförmåga och skalbarhet.
"Vår handhållna labbteknik kan hjälpa till att övervinna några av barriärerna med brist och tillgång till tester, särskilt tidigt i en pandemi, när det är som mest avgörande att kontrollera sjukdomsspridning", säger Emaminejad. "Och utöver dess potential att ta itu med problem med korta leveranser och hög efterfrågan, skulle den kunna anpassas brett för att testa för många typer av sjukdomar på fältet och med labbkvalitet."
Går över till multiplexerad och poolad testning
Forskarna utvecklade en serie operationer för att upptäcka närvaron av genetiskt material från ett virus – i det här fallet SARS-CoV-2 som orsakar COVID-19. Kretskortet styr en svärm av ferrobotar för att transportera magnetiserade prover genom det diagnostiska NAAT-arbetsflödet, inklusive automatiserad transport, alikvotering, sammanslagning, blandning och uppvärmning av provdroppar för att förstärka reaktionsprodukten (DNA). Slutligen bestäms resultaten baserat på en färgförändring av en pH-indikator, vilket möjliggör en binär tolkning av testet, över eller under ett tröskelvärde, som positivt respektive negativt.
UCLA-forskarna demonstrerade också parallellisering – flytta många av ferrobotarna samtidigt med hjälp av elektromagnetiska brickor i kretsen – såväl som sekventiella uppgiftsoperationer på ett samarbetssätt av varje ferrobot (i samordning med de andra ferrobotarna).
"Den här plattformens kompakta design och automatiserade hantering av prover möjliggör enkla implementeringar av poolade tester där du kan testa dussintals patientprover samtidigt, och alla med samma material som för närvarande krävs för att testa bara en patient", säger Di Carlo. "Till exempel kan du testa studenter i ett helt universitetshem med bara några dussin testsatser."
Anpassningsbar biosensor upptäcker snabbt COVID-19-virus och antikroppar
Genom att implementera en poolad testalgoritm, som kan testa upp till 16 prover i en enda analys, kräver systemet mycket lägre reagenskostnader än vad som behövs för att testa proverna individuellt. Om det sammanslagna testet visade ett positivt resultat, sker en efterföljande strömlinjeformad uppsättning operationer inom plattformen tills de faktiska positiva proverna identifieras. I slutändan, noterar forskarna, kan kostnader för kemiska reagens minskas med 10 till 300 gånger beroende på virusprevalensen.
Förutom att testa för flera sjukdomar samtidigt kan plattformen analysera ett stort antal ingångsprov parallellt och asynkront när de anländer, vilket undviker väntetider i samband med batchbearbetning. Som sådan drar teamet slutsatsen att denna teknologi fungerar som en lovande lösning för att öka testkapaciteten globalt för epidemier och pandemier.
