Robust och utbredd antikroppstestning har dykt upp som en nyckelstrategi i kampen mot SARS-CoV-2, viruset som är ansvarigt för covid-19-pandemin. Men nuvarande testmetoder är för felaktiga eller för dyra för att vara genomförbara i global skala. Men nu, forskare vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har utvecklat en snabb, tillförlitligt och billigt antikroppstest.

Enheten, beskrivs i en proof-of-concept-studie publicerad denna vecka i Biosensorer och bioelektronik , använder bärbar lab-on-a-chip-teknik för att noggrant mäta koncentrationen av antikroppar som finns i utspädd blodplasma.

Antikroppar är proteiner som produceras av immunsystemet för att neutralisera viruset. Forskning har funnit att covid-19-antikroppar finns i de senare stadierna av infektion och kan dröja kvar i blodet efter att infektionen har försvunnit, gör att tidigare infekterade individer kan identifieras. Antikroppstester är därför ett viktigt sätt att fastställa den fullständiga spridningen av coronaviruset – information som är avgörande för att vägleda folkhälsopolitiken.

Och ändå har många nationer hittills misslyckats med att använda storskalig antikroppstestning.

"Många befintliga plattformar för antikroppstester är korrekta och pålitliga, men de är kostsamma och måste utföras i ett labb av utbildade operatörer. Det betyder att det kan ta timmar, eller till och med dagar, för att få resultat, " sa Dr Riccardo Funari, första författare och postdoktor vid Micro/Bio/Nanofluidics Unit vid OIST. "Andra tester är lättare att använda, bärbar och snabb, men är inte tillräckligt exakta, vilket hämmar testansträngningar."

Forskarna undvek denna avvägning mellan noggrannhet och tillgänglighet genom att utveckla en alternativ antikroppstestplattform som kombinerar en kraftfull ljusavkännande teknologi med ett mikrofluidiskt chip. Chipet ger resultat inom 30 minuter och är mycket känsligt, detekterar även den lägsta kliniskt relevanta antikroppskoncentrationen. Varje chip är billigt att tillverka och förnekar behovet av ett labb eller utbildade operatörer, öka genomförbarheten av rikstäckande tester.

Och det finns en annan distinkt fördel med denna nyutvecklade plattform. "Testet upptäcker inte bara om antikropparna är närvarande eller frånvarande - det ger också information om mängden antikroppar som produceras av immunsystemet. Med andra ord, det är kvantitativt, sa professor Amy Shen, som leder enheten för mikro/bio/nanofluidik. "Detta utökar avsevärt dess potentiella tillämpningar, från att behandla covid-19 till att användas för att utveckla vaccin."

Belyser antikropparna

Antikroppstestplattformen består av ett mikrofluidchip som är integrerat med en fiberoptisk ljussond. Själva chippet är tillverkat av en guldtäckt glasskiva med en inbäddad mikrofluidisk kanal. Med hjälp av en elektrisk spänning, laget tillverkade tiotusentals små taggiga guldstrukturer, var och en mindre än ljusets våglängd, på en glasskiva.

Forskarna modifierade sedan dessa guldnanospikar genom att fästa ett fragment av SARS-CoV-2 spikproteinet. Detta protein är avgörande för att hjälpa coronaviruset att infektera celler och orsakar en stark reaktion från en infekterad persons immunsystem.

I denna proof-of-concept-studie, forskarna demonstrerade principen bakom hur testet upptäcker antikroppar genom att använda konstgjorda humana plasmaprov spikat med covid-19-antikroppar som är specifika för spikeproteinet.

Med hjälp av en sprutpump, provet dras genom chipet. När plasman rinner förbi de proteinbelagda guldnanospikarna, antikropparna binder till spikproteinfragmenten. Denna bindningshändelse detekteras sedan av den fiberoptiska ljussonden.

"Detekteringsprincipen är enkel men kraftfull, " sa Dr Funari. Han förklarade att det är baserat på det unika beteendet hos elektroner på ytan av guldnanospikar, som svänger ihop när de träffas av ljus. Dessa resonerande elektroner är mycket känsliga för förändringar i den omgivande miljön, såsom bindning av antikroppar, vilket orsakar en förskjutning i våglängden av ljus som absorberas av nanospikar.

"Ju fler antikroppar som binder, ju större förändringen är i våglängden för det absorberade ljuset, " tillade Dr. Funari. "Den fiberoptiska sonden är ansluten till en ljusdetektor som mäter denna förändring. Med hjälp av den informationen, vi kan bestämma koncentrationen av antikroppar i plasmaprovet."

En ljus framtid

Den storskaliga lanseringen av ett kvantitativt test kan i hög grad påverka hur covid-19 behandlas.

Till exempel, kvantitativa tester kan hjälpa läkare att spåra hur effektivt en patients immunsystem bekämpar viruset. Det kan också användas för att identifiera lämpliga donatorer för en lovande experimentell behandling, kallas plasmatransfusionsterapi, där en återhämtad patients antikroppsrika blod doneras till för närvarande infekterade patienter för att hjälpa dem att bekämpa viruset.

Att kunna mäta nivån av immunsvar kan också hjälpa till att utveckla vaccin, tillåta forskare att avgöra hur effektivt ett provvaccin utlöser immunsystemet.

Dock, forskarna betonade att enheten fortfarande är under aktiv utveckling. Enheten syftar till att minska chipstorleken för att minska tillverkningskostnaderna och arbetar också med att förbättra tillförlitligheten i testet.

"Vi har visat att enheten fungerar för att detektera olika koncentrationer av spikproteinantikroppen i artificiella humana plasmaprover. Vi vill nu utöka testet så att chippet kan upptäcka flera olika antikroppar samtidigt. " sa Dr Funari. "När enheten är optimerad, vi planerar att samarbeta med lokala sjukhus och medicinska institutioner för att utföra tester på riktiga patientprover."