Testplattorna som gör det möjligt att snabbt och tillförlitligt identifiera antikroppar mot olika patogener liknar objektglas för konventionella mikroskop och är okomplicerade att använda. Kredit:Paul Scherrer Institute/Mahir Dzambegovic
Forskare vid Paul Scherrer Institute PSI och University of Basel har tagit fram ett snabbtest för covid-19. Dess nya funktionsprincip lovar tillförlitliga och kvantifierbara resultat angående en patients COVID-19-sjukdom och dess förlopp – såväl som bevis om andra sjukdomar och COVID-varianter som kan förekomma. Innan den kan användas i stor utsträckning måste den dock genomgå ytterligare testning och optimering. Forskarna rapporterar om sin utveckling i tidskriften ACS Applied Nanomaterials.
En stor brist med snabba antigentester – vilket visades av en nyligen genomförd studie av en forskargrupp ledd av Heinrich Scheiblauer från tyska Paul Ehrlich-institutet – är deras brist på tillförlitlighet. Av de 122 testsatser från olika tillverkare som testades för studien, misslyckades en femtedel och uppfyllde inte ens minimikravet att identifiera 75 procent av testpersonerna med en hög virusbelastning som coronavirus-positiva. En annan nackdel:Testerna säger bara om försökspersonen har infektionen eller inte. De ger ingen insikt i infektionens förlopp eller testpersonernas immunreaktion.
Nu lovar ett nytt test som utvecklats vid PSI – som, till skillnad från antigentester, inte direkt upptäcker komponenter av viruset, utan snarare de antikroppar som immunsystemet producerar som svar på infektionen – att ge betydligt mer prediktiv kraft till snabba tester. Det är lika billigt, snabbt och enkelt att använda, och det kan också användas för att samtidigt identifiera en mängd olika patogener, till exempel de som är ansvariga för influensa. "Därmed ger den också mer data än tidigare snabba antikroppstester som används för att avgöra om någon redan har haft en coronavirusinfektion", säger Yasin Ekinci, chef för Laboratory for X-ray Nanoscience and Technologies på PSI, som var ansvarig för projektet för att utveckla det nya testet.
Testets centrala byggsten är en liten rektangulär platta av vanligt plexiglas, liknande ett objektglas. Den består av ett nedre lager som är en millimeter tjockt och ett övre lager med en tjocklek på 0,2 millimeter. Forskarna mönstrade en relief i den nedre delen med hjälp av elektronstrålelitografi - en extremt exakt process för fräsning av fasta material som används till exempel vid tillverkning av datorchips. När mastermallen väl hade tagits fram på detta sätt kombinerade forskarna detta med så kallad nanoimprint-litografi, vilket avsevärt snabbar upp tillverkningsprocessen och minskar dess kostnad.
Multifunktionell mikrostruktur
Med det tunnare lagret av plexiglas som täckning har plattan nu tre parallella kanaler genom vilka en vätska kan strömma från ena änden till den andra. Var och en av dessa är 300 mikrometer (0,3 millimeter) bred och 3,4 mikrometer hög vid inloppet. Vid utloppet är kanalerna fem gånger så breda men bara en mikrometer höga. Längs en sträcka däremellan smalnar kanalen av till bara några mikrometer bred, och vid ett tillfälle är den bara 0,8 mikrometer hög – ungefär 100 gånger tunnare än människohår.
"Denna speciella kanalstruktur tjänar flera syften samtidigt", säger Thomas Mortelmans, doktorand vid Swiss Nanoscience Institute vid University of Basel och första författare till studien. Mortelmans utförde sin forskning vid PSI:s Laboratory for X-ray Nanoscience and Technologies. För det första säkerställer det en stark kapilläreffekt, som den välbekanta verkan av ledningsvävnaderna som transporterar vatten från rötterna till trädens kronor. Ingen pump behövs. Kraften härrör från gränsytspänningen mellan vätskan och den fasta ytan. Den suger nästan vattnet genom de smala passagerna. Exakt samma sak händer med kanalerna i plexiglaset – förutom att istället för vatten rinner en droppe blod genom det.
Det avgörande för testet är en passage där kanalens höjd sjunker från 3,4 mikrometer till 0,8. I det som forskarna kallar fångstområdet fastnar partiklar som tidigare lagts till blodet på fördefinierade platser – beroende på vilka patogener som finns i blodet. För testet, förklarar Mortelmans, skulle en försöksperson gå till en läkare eller ett testcenter. Där tas en liten droppe blod med ett fingerstick, som vid ett blodsockertest. En vätska i vilken speciella konstgjorda nanopartiklar är suspenderade blandas in i blodet. Deras yta har samma struktur som de ökända spikproteinerna från SARS-CoV-2-viruset, som mänskliga antikroppar dockar till när de bekämpar sjukdomen. Dessutom tillsätts små fluorescerande partiklar som fäster sig till SARS-CoV-2-antikroppar hos människor.
Det betyder att om det finns antikroppar mot SarsCoV-2 i blodet som testas, fäster de fluorescerande partiklarna sig först på dem; tillsammans binder de sedan till de virusliknande strukturerna hos de betydligt större nanopartiklarna och fastnar tillsammans med dem på de fördefinierade platserna som motsvarar nanopartiklarnas diameter. – Det är där kanalen är exakt 2,8 mikrometer hög, säger Mortelmans. Här samlas nanopartiklarna, med de mänskliga antikropparna och deras glödande bihang dockade till dem. Om plattan placeras under ett fluorescensmikroskop är ljussignalen synlig. Ju fler antikroppar patienten har bildats, desto ljusare är den; ju tydligare signal, desto starkare immunreaktion. Så här kan covid-19 tydligt diagnostiseras. "Dessutom kan du använda signalstyrkan för att se om immunförsvaret reagerar bra och ett lindrigt förlopp kan förväntas - eller om det kan överreagera, vilket innebär att det finns en risk för komplikationer", förklarar Mortelmans.
Ett snabbtest med många möjligheter
Det finns ingen risk för att kanalen blockeras av andra partiklar i blodet. Virusen i sig är bara runt 0,12 mikrometer stora och flyter igenom utan motstånd. Endast de röda blodkropparna bredvid nanopartiklarna är större än den smalaste delen av kanalen. – I början av vårt utvecklingsprojekt orsakade de faktiskt problem, säger Mortelmans. "Men vi har optimerat kanalen så att de nu glider igenom." Forskarna utnyttjade det faktum att cellerna är flexibla och komprimerbara:"Kapillärkraften är nu så stor att den pressar blodkropparna genom varje förträngning av kanalen."
Testet öppnar upp för ännu fler möjligheter utöver att diagnostisera covid-19. Dessutom skulle nanopartiklar av olika storlekar och med olika ytstrukturer kunna blandas in i blodet för att möjliggöra samtidig testning för andra sjukdomar. I studien gjorde Mortelmans detta med hjälp av partiklar vars yta motsvarar influensa A-virus. I experimenten tändes två fläckar i fångstområdet:en för covid-19 och en för influensa.
Dessutom är det möjligt att identifiera olika antikroppar som immunförsvaret producerar i olika stadier av sjukdomen. Till exempel skulle man kunna använda gröna fluorescerande partiklar som bara fäster på antikroppar som uppstår i infektionens tidiga fas, och röda fluorescerande partiklar för antikroppar som produceras av immunsystemet i senare skeden. – Testet kan utökas på många sätt, säger Mortelmans. "Vi skulle till exempel kunna testa tio olika sjukdomar samtidigt utan problem och använda fyra färger också." Självklart skulle antalet kanaler också kunna utökas för att testa ännu fler varianter. I princip är den andra och tredje kanalen endast där för att bekräfta resultatet av den första. Men de kan också användas för att utföra olika tester. "I princip har vi här ett system som liknar Lego, där man kan kombinera olika komponenter", säger projektledare Yasin Ekinci.
Forskarna började sitt arbete med det nya testet strax efter starten av coronavirus-pandemin. "Vi arbetade på ett diagnostiskt test för Parkinsons vid den tiden", säger Ekinci. "När pandemin slog igenom frågade vi oss själva hur vi som forskningsinstitut kunde bidra till att övervinna den." Utvecklingen tog dock längre tid eftersom testet är så nytt, eftersom man visste lite om viruset i början och att patientprover också var svåra att få.
För studien testades enheten med 29 blodprover - 19 av dem kom från infekterade personer och 10 från icke-infekterade personer. Med undantag för ett falskt negativt fall var testet alltid korrekt. Även detta identifierades under uppföljningstestet. "Vi behöver naturligtvis göra mycket mer tester för att göra ett solidt uttalande om tillförlitlighet, och det finns fortfarande mycket utrymme för förbättringar. Men det är mycket lovande", säger Ekinci.
Dessutom ska testet bli ännu lättare att genomföra. "Vi jobbar på att göra det lika enkelt att göra med saliv istället för blod", rapporterar Mortelmans. "Vi vill också kunna använda en mobiltelefonkamera istället för ett mikroskop för att läsa signalerna. Moderna enheter klarar nu av detta." Ett sådant test tar för närvarande mellan 10 och 30 minuter. Men det går också att göra det på två minuter; den optimeras för närvarande med detta syfte. "Vår vision är en teknik", säger Ekinci, "med vilken vi samtidigt kan diagnostisera flera sjukdomar och varianter av covid och influensa på ett tillförlitligt, snabbt och billigt sätt via mobiltelefon. Vårt nya koncept kan göra detta till verklighet." + Utforska vidare
