Ett nytt verktyg som använder en skogliknande uppsättning vertikalt inriktade kolnanorör som kan finjusteras för att selektivt fånga virus efter deras storlek kan öka detektionströskeln för virus och påskynda processen att identifiera nyuppkomna virus. Forskningen, av ett tvärvetenskapligt team av forskare vid Penn State, publiceras den 7 oktober, 2016 års upplaga av tidskriften Vetenskapens framsteg .

"Att upptäcka virus tidigt i en infektion innan symtom uppträder, eller från fältprover, är svårt eftersom koncentrationen av virusen kan vara mycket låg – ofta under tröskeln för nuvarande detektionsmetoder, sa Mauricio Terrones, professor i fysik, kemi, och materialvetenskap och ingenjörskonst vid Penn State, och en av motsvarande författare till forskningen. "Tidig upptäckt är viktig eftersom ett virus kan börja spridas innan vi har möjlighet att upptäcka det. Enheten vi har utvecklat låter oss selektivt fånga och koncentrera virus efter deras storlek - mindre än mänskliga celler och bakterier, men större än de flesta proteiner och andra makromolekyler – i otroligt utspädda prover. Det ökar ytterligare vår förmåga att upptäcka små mängder av ett virus med mer än hundra gånger."

Forskargruppen utvecklade och testade en liten, bärbar enhet som ökar känsligheten för virusdetektion genom att fånga och koncentrera virus i en rad kolnanorör. Utspädda prover som samlas in från patienter eller miljön passeras genom ett filter för att avlägsna stora partiklar som bakterier och mänskliga celler, sedan genom samlingen av kolnanorör i enheten. Virus fastnar och bygger upp till användbara koncentrationer i skogen av nanorör, medan andra mindre partiklar passerar igenom och elimineras. Det koncentrerade viruset som fångas i enheten kan sedan genomgå en panel av tester för att identifiera det, inklusive molekylär diagnos genom polymeraskedjereaktion (PCR), immunologiska metoder, virusisolering, och genomsekvensering.

"Eftersom vår enhet isolerar och koncentrerar virus enbart efter storlek, vi kan fånga virus som vi inte vet något om biologiskt – vi behöver ingen antikropp eller annan molekylär märkning, "Sade Terrones. "När vi väl fångar och koncentrerar viruset, vi kan sedan använda andra tekniker som helgenomsekvensering för att karakterisera den."

"De flesta dödliga virusutbrotten under de senaste två decennierna orsakades av nyligen uppkomna virus. Denna storleksbaserade virusberikningsteknik kan vara särskilt kraftfull när det gäller identifiering av nya virus och upptäckt av nya virus som inte har antikroppar och sekvensinformation tillgänglig, sa Si-Yang Zheng, docent i biomedicinsk teknik vid Penn State, den andra motsvarande författaren på tidningen. "Inte bara berikar vår nya teknik virus med minst hundra gånger, men det tar också bort värd- och miljöföroreningar, och möjliggör direkt virusidentifiering genom nästa generations sekvensering från fältinsamlade prover utan viruskultur."

Virus – som influensa, HIV/AIDS, Ebola, och Zika—kan orsaka plötsliga, oförutsägbara utbrott som leder till allvarliga folkhälsokriser. För närvarande tillgängliga tekniker för att isolera och identifiera virus som orsakar dessa utbrott är långsamma, dyr, och använda utrustning och reagens som kan vara dyra, stor och tung, och kräver specialiserad lagring. Dessutom, många nya utbrott har orsakats av nyligen uppkomna virus för vilka det inte finns några etablerade sätt att selektivt isolera dem för identifiering och karakterisering.

"Vi utvecklade tekniken för att odla en skog av nanorör och vi kan kontrollera avståndet mellan stammarna, ", sa Zheng. "Röravståndet kan sträcka sig från cirka 17 nanometer till över 300 nanometer för att selektivt fånga virus. De unika egenskaperna hos kol-nanorörskogen gör att vi kan integrera den i en robust, skalbar, och bärbar mikroenhet som kan anpassas för användning i fält utan behov av skrymmande instrument och specialiserad lagring av reagens."

Forskarna validerade förmågan hos deras nyutvecklade enhet att fånga virus från utspädda prover med hjälp av kända koncentrationer av tidigare identifierade virus samt fältprover av nya och okända virus. "Vi utvecklade en bärbar plattform för att berika och isolera virus baserat på deras fysiska storlek, " sa Yin-Ting Yeh, en postdoktor vid Penn State och första författare till artikeln. "Denna avstämbara storleksbaserade tillvägagångssätt ger snabb virusanrikning direkt från fältprover utan användning av antikroppar. Enheten möjliggör tidig upptäckt av nya sjukdomar och möjliggör potentiellt vaccinutveckling mycket tidigare i processen av ett utbrott."