Infraröd uppvärmning av plasmoniska nanopartiklar underlättar multiplexerad omvänt transkriptas kvantitativ PCR för snabb detektion av SARS-CoV-2. Kredit:Abigail Ayers och Nicoletta Barolini/Columbia Engineering,
I mer än 30 år har polymeraskedjereaktion (PCR) varit guldstandarden för molekylär diagnostisk testning, för att upptäcka genetiskt material, såsom de från ett virus eller från mänskligt DNA. Men PCR, inklusive omvänd transkriptionspolymeraskedjereaktion (RT-PCR), görs mestadels i stora, centraliserade laboratorier, inte i vårdcentraler (POC), eftersom dess instrumentering är skrymmande, dyr, tar lång tid för resultat , och kräver utbildade tekniker för att köra den. Dessa begränsningar har lett till en brist på korrekt POC-diagnostik samt flaskhalsar i testresultat, särskilt under covid-19-pandemin.
Forskare vid Columbia Engineering och Rover Diagnostics meddelade idag att de har byggt en RT-PCR-plattform som ger resultat på 23 minuter som matchar de längre laboratoriebaserade testerna – snabbare än andra PCR-tester på marknaden. Den kan anpassas för att testa för ett brett spektrum av infektionssjukdomar inklusive inte bara covid-19 utan även influensa, streptokocker och andra virus som kräver snabb diagnos. Dess riktade känslighet är högre än andra typer av tester som isotermisk, antigen och CRISPR. Och på bara två pund är Rover PCR lätt att bära med sig och kan användas av alla.
"Vårt mål var att skapa en plattform som kan användas på platser där snabba resultat är avgörande, på apotek, transportnav, offentliga evenemang och på företag som screenar anställda som kommer tillbaka till jobbet", säger Sam Sia, professor i biomedicinsk teknik och Vice prost för det fjärde syftet och strategiska effekterna vid Columbia.
Systemet utvecklades tillsammans med Rover Diagnostics, en bioteknikstart-up som grundades 2018 av Sia och serieteknikentreprenören Mark Fasciano, Rovers VD. Plattformen använder provberedningstekniker som utvecklats vid Sias labb, kombinerat med ett nytt tillvägagångssätt för termisk cykling, som kringgår standardmetoden för Peltier-anordningen - som värmer provet från utsidan av flaskan. Istället använder Rovers system en fototermisk process – plasmonisk termocykling – som är beroende av nanopartiklar som bestrålas av ljus för att snabbt generera värme inifrån.
Prov-till-resultat arbetsflöde av RT-qPCR för snabb detektering av SARS-CoV-2, inklusive enkel extraktionsfri provberedning med en anpassad patron. Resultat uppnås på 23 minuters termocykling, underlättat av plasmonisk uppvärmning av guldnanopartiklar och multiplexerad fluorescensövervakning i realtid. Kredit:Abigail Ayers och Yuhang Hu/Columbia Engineering
Teamet genomförde framgångsrikt omvänt transkriptas kvantitativ PCR (RT-qPCR) i ett reaktionskärl innehållande alla PCR-reagens. qPCR är den nuvarande laboratorietekniken med guldstandard för att identifiera COVID-infektion. Tekniken ger kvantifiering av infektionsenheter, men den utgör också ett antal hinder för miniatyrisering av vårdcentralen (POC).
I studien publicerad idag i Nature Nanotechnology , tog forskarna upp dessa utmaningar genom att utnyttja plasmoniska nanopartiklar – diskreta metalliska partiklar som svarar på infrarött ljus genom att frigöra värme – för att uppnå realtids och multiplexerad RT-qPCR på kliniska prover.
"Detta borde verkligen flytta nålen på att leverera snabb och exakt molekylär klinisk diagnostik i decentraliserade miljöer", säger Fasciano, en datavetare som blivit mjukvaru- och bioteknikentreprenör. "Termisk cykling, så avgörande för DNA- och RNA-testning, kan nu påskyndas och både läkare och patienter behöver inte vänta så länge på resultat."
Rover-teamet går framåt med en kommersiell produkt som kan upptäcka COVID-19, dess varianter och andra infektionssjukdomar. + Utforska vidare
