Ett nytt antikroppstest som utvecklas av ett team som inkluderar två SMU-forskare har potential att upptäcka förekomsten av antikroppar som genereras som svar på COVID-19 snabbare och med mer noggrannhet än nuvarande antikroppstester.

Antikroppstester är nyckeln till att avgöra hur många fall av coronavirus som har blivit oupptäckta och om människor som har haft viruset nu kan vara immuna – mätningar som kan hjälpa sjukvården att hantera covid-19-pandemin och planera för framtiden. Men konventionella immunosensorantikroppstester tenderar att vara långsamma att visa resultat och ofta felaktiga.

Forskare uppskattar att lab-on-a-chip-testet kan upptäcka immunsvar mot coronavirus på två till tre minuter, med bara en droppe blod. Materialen som används för att skapa testet är billiga, vilket borde resultera i lågkostnadsproduktion.

Ali Beskok och J.-C. Chiao är de ledande forskarna bakom lab-on-a-chip-testet.

Beskok är The Brown Foundation, Inc. Professor i teknik vid SMU:s Lyle School of Engineering. Chiao är The Mary and Richard Templeton Centennial Chair och professor vid Lyles Department of Electrical and Computing Engineering. Tillsammans, de har mer än 50 års samlad expertis inom mikrofluidikteknologi och bioteknik.

Eva Csaky, Verkställande direktör för SMU:s Hunter and Stephanie Hunt Institute for Engineering &Humanity; Bob Hendler, Chief Medical Officer för Texas Hospital Association; och Quan-Zhen Li, Direktör för UTSW Genomics &Microarray Core Facility, var också konsulter i projektet.

För att påskynda utvecklingen av lab-on-a-chip-enheten för potentiell klinisk användning, teamet söker för närvarande forskningsfinansiering.

Hur det fungerar

Lab-on-a-chip-testet kommer att leta efter tecken på att en persons immunsystem någon gång har reagerat på att coronaviruset finns i kroppen. Specifikt, det kommer att detektera mänskligt IgG, IgM, och IgA-antikroppar som produceras när någon är eller har blivit infekterad med viruset.

Testet utförs genom att applicera en droppe blod på ett mikrofluidiskt chip som används för att analysera små mängder vätska. Ett filter inbäddat i mikrochipet extraherar plasma från blodprovet. Chipet placeras sedan i ett elektroniskt instrument som använder elektriska mätningar för att upptäcka om specifika antikroppar finns i plasman.

"Vår enhet innehåller mycket känsliga elektroder som specifikt kan fånga de riktade antikropparna. När den väl har fångats, en signal kommer att genereras till den anslutna elektroniken och skicka information till användarens smartphone, " förklarade Chiao.

Chipset är 2 cm i diameter, och enheten är tillräckligt enkel för att de utan medicinsk utbildning ska kunna utföra testet, Beskok noterade.

Hur vet dessa elektroder – ledare genom vilka elektriska strömmar kan färdas – att de har hittat en riktad antikropp?

Antikropp-antigenbindning är nyckeln

Ett antigen är ett protein som provocerar kroppens immunsystem att attackera virus, bakterie, eller andra skadliga inkräktare på kroppen. Antikroppar är de proteiner som faktiskt gör arbetet med att eliminera den inkräktaren genom att fästa till antigener.

"Vi kommer att använda COVID-19-antigener som Spike-proteiner (S1 och S2) som kan hittas på virusets yta. Dessa sticker ut från virusmembranet, och antikropparna fäster på dessa, ", sa Beskok. "Dessa antigenproteiner täcker elektrodytorna som en klibbig dyna, och endast de specifikt matchade antikropparna kommer att fästa vid dessa. "

Beskok sa att samma teknologi potentiellt kan användas för att upptäcka andra sjukdomar som har känd antikropp-antigenbindning.

"Potentialerna är obegränsade, " sa Beskok.

SMU (Southern Methodist University) har ansökt om ett provisoriskt patent på tekniken bakom testet, som kallas Multiplexed Assay for the Immune Response to COVID-19 (MAIRC).

Beskok och Anil Koklu, som fick sin Ph.D. i maskinteknik på SMU, kom först med idén att använda en "Lab on the Chip"-enhet för att upptäcka malaria och tuberkulos 2018.

De skapade en tidig prototyp av denna enhet, med hjälp av gallerliknande nanopelarstrukturerade elektroder skapade vid University of Texas i San Antonio. Resultat som beskrivs i tidningen Analytisk kemi visade att den tidiga enheten exakt detekterade IgG-antikroppar på 60 sekunder med användning av ett litet prov (bara en ng/ml) av laboratorieköpta antigener och antikroppar.

Beskok och Chiao bytte fokus till COVID-19-antikroppsdetektering när den globala pandemin började. De och två SMU -doktorander eleverna har sedan gjort ändringar i enheten. Till exempel, de har gjort ändringar i den elektroniska utrustningen som används för att läsa chipet, så att testet kan utföras var som helst via en smartphone.

De har också lagt till en ytterligare detektionsmetod för att mäta hur mycket av varje typ av antikropp—IgG, IgM, eller IgA—finns i ett prov. Detta gör det möjligt för läkare att bättre spåra en persons återhämtning efter covid-19, sa Chiao. På grund av det extra detekteringssteget, Beskok uppskattar att det kommer att ta två till tre minuter för någon som använder lab-on-a-chip-test för COVID-upptäckt att få resultat på sin smartphone.

Nästa steg i forskningen kommer att testa enhetens känslighet och specificitet med hjälp av laboratorieköpta humana plasmaprover spikade med labbköpta antikroppar och antikroppar. Beskok och Chiao kommer sedan att testa enheten på plasma från faktiska covid-patienter innan den blir tillgänglig för allmänheten.

Guldstandarden för antikroppstestning är den enzymkopplade immunosorbentanalysen, eller ELISA. Dessa tester kräver att en person går in i ett labb för att få sitt blod uttaget, och det tar vanligtvis två dagar att få tillbaka resultat.

"Det finns några andra tekniker för att snabbt upptäcka antikroppar utan att använda dyr laboratorieutrustning, men de lider av känslighet, noggrannhet, och konsekvensfrågor, " sa Chiao.

Precisionen och hastigheten i labbet på ett chip kan tillskrivas, till viss del, till flera innovationer. En av dessa är användningen av elektrotermiska växelströmsflöden (ACET) för att föra antikroppar i blodplasman närmare sensorytorna i chipet, så att de kan upptäckas.

"En analogi med ACET är detta:tänk på att använda en fläkt för att tvinga luften att passera ett filter. Filtret kan fånga upp mer damm och partiklar i luften på detta sätt, " sade Beskok. "På liknande sätt, ACET gör att antikropparna i blodplasman kan fångas upp mer effektivt och detekteras av vår enhet."

Beskok och Chiao uppskattar att kostnaden för det elektroniska instrumentet för att läsa chipet skulle vara cirka $15 till $20. Kostnaden för engångskassetten, det är dit en droppe blod skulle gå, skulle troligen vara mindre än $1.

"Vårt yttersta mål är att skapa kvantifierbara, exakt, snabb, och billiga diagnostiska metoder baserade på detektering av humant IgG, IgM, och IgA-antikroppar. Detta finns inte för närvarande, och det skulle ha en djup och betydande inverkan på världen, med tanke på den förödande effekt denna coronavirus-pandemi har haft, "Sa Chiao.