Масштабні епідемії, зокрема SARS, Зіка та Ебола, а також такі пандемії, як H1N1 та COVID-19, охопили світ за останні два десятиліття. У міру того, як спалахи інфекційних захворювань виникають із дедалі більшою регулярністю, потреба в розширенні можливостей діагностики вірусів і спостереження для стримування епідемій і запобігання пандеміям стає все більш очевидною. Дослідники під керівництвом Діно Ді Карло та Сем Емінежад з Університету Каліфорнії, Лос-Анджелес (UCLA) тепер розробили портативний вірусний діагностичний тест на основі рою магнітів міліметрового розміру (так звані «ферроботи»). Технологія може значно збільшити пропускну здатність тестування на захворювання, мінімізуючи витрати та використання дефіцитних матеріалів.
Опис діагностичного лабораторного набору в природа, дослідники описують принцип роботи та адаптивність платформи для мультиплексного та об’єднаного вірусного тестування. Вони також повідомляють результати клінічного дослідження з використанням зразків осіб із симптомами COVID-19. Порівняння результатів тестування за допомогою лабораторного набору з тими самими зразками, перевіреними на COVID-19 за допомогою золотого стандарту аналізу полімеразної ланцюгової реакції зворотної транскрипції (RT-PCR), виявило чутливість тесту 98% і специфічність 100%.
Подолання дефіциту поставок і зниження витрат
Серед варіантів тестування на вірусну діагностику та спостереження тести ампліфікації нуклеїнової кислоти (NAATs) демонструють явні переваги перед тестами на основі антигенів і антитіл з точки зору чутливості, специфічності та можливості швидкого надання без попереднього генерування специфічних діагностичних антитіл. Однак попередні тестові платформи на основі NAAT не могли виконувати інтегровані процеси обробки рідин, аналізу та автоматичного зворотного зв’язку, необхідні для досягнення гнучкості робочих процесів і максимальної ефективності скринінгу захворювань.
Щоб подолати цей недолік, дослідники Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі створили програмовану платформу на основі друкованої плати розміром з долоню, яка паралельно виконує обробку рідин і біоаналітичні операції. На відміну від попередніх методів, які потребували громіздких, ресурсомістких інструментів, мініатюрна платформа забезпечує суттєву економію коштів у широкому діапазоні поширеності вірусів, водночас пропонуючи високу точність, надійність, адаптивність і масштабованість.
«Наша портативна лабораторна технологія може допомогти подолати деякі бар’єри, пов’язані з дефіцитом і доступом до тестів, особливо на початку пандемії, коли контролювати поширення хвороби є найважливішим», — каже Емінежад. «І крім свого потенціалу для вирішення проблем нестачі поставок і високого попиту, його можна було б широко адаптувати для тестування багатьох типів захворювань у польових умовах і з якістю лабораторного рівня».
Перехід до мультиплексного та об’єднаного тестування
Дослідники розробили набір операцій для виявлення присутності генетичного матеріалу вірусу – у цьому випадку SARS-CoV-2, який викликає COVID-19. Монтажна плата керує групою фероботів для транспортування намагнічених зразків через робочий процес діагностики NAAT, включаючи автоматизоване транспортування, аліквотування, злиття, змішування та нагрівання крапель зразка для ампліфікації продукту реакції (ДНК). Нарешті, результати визначаються на основі зміни кольору індикатора рН, що дає можливість двійкової інтерпретації тесту, вище або нижче порогу, як позитивний або негативний відповідно.
Дослідники з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі також продемонстрували розпаралелювання – переміщення багатьох фероботів одночасно за допомогою електромагнітних плиток у схемі – а також послідовне виконання завдань у спільній манері кожним фероботом (у координації з іншими фероботами).
«Компактний дизайн цієї платформи та автоматизована обробка зразків дозволяють легко реалізувати об’єднане тестування, де ви можете тестувати десятки зразків пацієнтів одночасно, і все з тими самими матеріалами, які зараз потрібні для тестування лише одного пацієнта», — говорить Ді Карло. «Наприклад, ви можете протестувати студентів у цілому гуртожитку коледжу за допомогою лише кількох десятків тестових наборів».
Адаптивний біосенсор швидко виявляє вірус та антитіла COVID-19
Завдяки застосуванню об’єднаного алгоритму тестування, який може перевіряти до 16 зразків в одному аналізі, система потребує набагато менших витрат на реагенти, ніж це необхідно для тестування окремих зразків. Якщо об’єднаний тест показав позитивний результат, наступний спрощений набір операцій виконується на платформі, доки не будуть ідентифіковані фактичні позитивні зразки. Зрештою, зазначають дослідники, витрати на хімічні реагенти можуть бути зменшені в 10-300 разів залежно від поширеності вірусу.
Крім тестування на кілька захворювань одночасно, платформа може аналізувати велику кількість вхідних зразків паралельно та асинхронно в міру їх надходження, уникаючи часу очікування, пов’язаного з пакетною обробкою. Таким чином, команда дійшла висновку, що ця технологія є перспективним рішенням для збільшення потенціалу тестування в усьому світі для готовності до епідемії та пандемії.
