Forskare vid Carnegie Mellon University rapporterar fynd om en avancerad nanomaterialbaserad biosensingplattform som upptäcker, inom sekunder, antikroppar specifika mot SARS-CoV-2, viruset som är ansvarigt för covid-19-pandemin. Förutom att testa, Plattformen kommer att hjälpa till att kvantifiera patientens immunologiska svar på de nya vaccinerna med precision.

Resultaten publicerades denna vecka i tidskriften Avancerade material . Carnegie Mellons medarbetare inkluderade University of Pittsburgh (Pitt) och UPMC.

Testplattformen identifierar närvaron av två av virusets antikroppar, spike S1-protein och receptorbindande domän (RBD), i en mycket liten droppe blod (cirka 5 mikroliter). Antikroppskoncentrationer kan vara extremt låga och fortfarande detekteras under en picomolär (0,15 nanogram per milliliter). Denna detektering sker genom en elektrokemisk reaktion i en handhållen mikrofluidisk enhet som skickar resultat nästan omedelbart till ett enkelt gränssnitt på en smart telefon.

"Vi använde de senaste framstegen inom material och tillverkning såsom nanopartikel 3-D-utskrift för att skapa en enhet som snabbt upptäcker covid-19-antikroppar, sa Rahul Panat, en docent i maskinteknik vid Carnegie Mellon som använder specialiserade additiv tillverkningsteknik för forskning som sträcker sig från hjärn-dator-gränssnitt till bioövervakningsenheter.

En additiv tillverkningsteknik som kallas aerosoljet 3-D-utskrift är ansvarig för effektiviteten och noggrannheten hos testplattformen. Mycket liten, billiga guldmikropelarelektroder trycks i nanoskala med hjälp av aerosoldroppar som är termiskt sintrade tillsammans. Detta orsakar en grov, oregelbunden yta som ger ökad yta på mikropelarna och en förbättrad elektrokemisk reaktion, där antikroppar kan fästa på antigener belagda på elektroden. Den specifika geometrin gör att mikropelarna kan ladda fler proteiner för detektion, vilket resulterar i mycket exakt, snabba resultat.

Testet har en mycket låg felfrekvens eftersom bindningsreaktionen mellan antikroppen och antigenet som används i enheten är mycket selektiv. Forskarna kunde utnyttja denna naturliga design till sin fördel.

Resultaten kommer vid en brådskande tidpunkt under covid-19-pandemin. "Eftersom vår teknik kan kvantifiera immunsvaret på vaccination, det är mycket relevant i den nuvarande miljön, sa Panat.

Panat samarbetade med Shou-Jiang Gao, ledare för cancervirologiprogrammet vid UPMC:s Hillman Cancer Center och professor i mikrobiologi och molekylär genetik vid Pitt. Azahar Ali, en forskare vid Panats Advanced Manufacturing and Materials Lab, var huvudförfattaren till studien.

Snabb diagnos för behandling och förebyggande av smittsamma sjukdomar är en folkhälsofråga som går längre än den nuvarande covid-19-pandemin. Eftersom den föreslagna avkänningsplattformen är generisk, den kan användas för snabb upptäckt av biomarkörer för andra smittämnen som ebola, HIV, och Zika. Ett sådant snabbt och effektivt test skulle kunna vara en gamechanger för att kontrollera spridningen av sjukdomar.