Med hjälp av specialiserade kolnanorör har MIT-ingenjörer designat en ny sensor som kan detektera SARS-CoV-2 utan några antikroppar, vilket ger ett resultat inom några minuter. Deras nya sensor är baserad på teknologi som snabbt kan generera snabb och exakt diagnostik, inte bara för COVID-19 utan för framtida pandemier, säger forskarna.

"Ett snabbtest innebär att du kan öppna upp för resor mycket tidigare i en framtida pandemi. Du kan screena människor som går av ett flygplan och avgöra om de ska sättas i karantän eller inte. Du kan på samma sätt screena människor som kommer in på deras arbetsplats och så vidare", säger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik vid MIT och senior författare till studien. "Vi har ännu inte teknik som kan utveckla och distribuera sådana sensorer tillräckligt snabbt för att förhindra ekonomisk förlust."

Diagnostiken baseras på kolnanorörssensorteknologi som Stranos labb tidigare har utvecklat. När forskarna började arbeta med en covid-19-sensor tog det bara 10 dagar att identifiera ett modifierat kolnanorör som selektivt kan detektera de virala proteinerna de letade efter, och sedan testa det och införliva det i en fungerande prototyp. Detta tillvägagångssätt eliminerar också behovet av antikroppar eller andra reagens som är tidskrävande att generera, rena och göra allmänt tillgängliga.

MIT postdoc Sooyeon Cho och doktorand Xiaojia Jin är huvudförfattarna till artikeln, som idag visas i Analytical Chemistry . Andra författare inkluderar MIT doktorander Sungyun Yang och Jianqiao Cui, och postdoc Xun Gong.

Molekylär igenkänning

För flera år sedan utvecklade Stranos labb en ny metod för att designa sensorer för en mängd olika molekyler. Deras teknik bygger på kolnanorör – ihåliga, nanometertjocka cylindrar gjorda av kol som naturligt fluorescerar när de utsätts för laserljus. De har visat att genom att linda in sådana rör i olika polymerer kan de skapa sensorer som svarar på specifika målmolekyler genom att kemiskt känna igen dem.

Deras tillvägagångssätt, känd som Corona Phase Molecular Recognition (CoPhMoRe), drar fördel av ett fenomen som uppstår när vissa typer av polymerer binder till en nanopartikel. Dessa molekyler, som är kända som amfifila polymerer, har hydrofoba områden som hakar fast i rören som ankare och hydrofila områden som bildar en serie öglor som sträcker sig bort från rören.

Dessa slingor bildar ett lager som kallas en korona som omger nanoröret. Beroende på arrangemanget av slingorna kan olika typer av målmolekyler kila in i utrymmena mellan slingorna, och denna bindning av målet förändrar intensiteten eller toppvåglängden för fluorescens som produceras av kolnanoröret.

Tidigare i år fick Strano och InnoTech Precision Medicine, en Boston-baserad diagnostikutvecklare, ett anslag från National Institutes of Health för att skapa en CoPhMoRe-sensor för SARS-CoV-2-proteiner. Forskare i Stranos labb hade redan utvecklat strategier som gör att de kan förutsäga vilka amfifila polymerer som kommer att interagera bäst med en viss målmolekyl, så de kunde snabbt generera en uppsättning av 11 starka kandidater för SARS-CoV-2.

Inom cirka 10 dagar efter starten av projektet hade forskarna identifierat korrekta sensorer för både nukleokapsiden och spikproteinet från SARS-CoV-2-viruset. Under den tiden kunde de också införliva sensorerna i en prototypenhet med en fiberoptisk spets som kan upptäcka fluorescensförändringar av biofluidprovet i realtid. Detta eliminerar behovet av att skicka provet till ett labb, vilket krävs för det diagnostiska PCR-testet av guldstandard för covid-19.

Denna enhet ger ett resultat inom cirka fem minuter och kan detektera koncentrationer så låga som 2,4 pikogram virusprotein per milliliter prov. I nyare experiment som gjordes efter att denna artikel lämnades in, har forskarna uppnått en detektionsgräns som är lägre än de snabbtest som nu är kommersiellt tillgängliga.

Forskarna visade också att enheten kunde detektera nukleokapsidproteinet SARS-CoV-2 (men inte spikproteinet) när det löstes i saliv. Att upptäcka virala proteiner i saliv är vanligtvis svårt eftersom saliv innehåller klibbiga kolhydrater och matsmältningsenzymmolekyler som stör proteindetekteringen, vilket är anledningen till att de flesta covid-19-diagnostik kräver näsprover.

"Den här sensorn visar det högsta intervallet för gräns för detektion, svarstid och salivkompatibilitet även utan antikropps- och receptordesign", säger Cho. "Det är en unik egenskap hos den här typen av molekylärt igenkänningsschema att snabb design och testning är möjlig, obehindrat av utvecklingstiden och leveranskedjans krav för en konventionell antikropp eller enzymatisk receptor."

Snabbt svar

Den hastighet med vilken forskarna kunde utveckla en fungerande prototyp tyder på att detta tillvägagångssätt kan visa sig användbart för att utveckla diagnostik snabbare under framtida pandemier, säger Strano.

"Vi kan gå från att någon ger oss virala markörer till en fungerande fiberoptisk sensor på extremt kort tid", säger han.

Sensorer som förlitar sig på antikroppar för att upptäcka virala proteiner, som ligger till grund för många av de snabba COVID-19-tester som nu finns tillgängliga, tar mycket längre tid att utveckla eftersom processen att designa rätt proteinantikropp är så tidskrävande.

Forskarna har ansökt om patent på tekniken i hopp om att den skulle kunna kommersialiseras för användning som en COVID-19-diagnostik. Strano hoppas också kunna vidareutveckla tekniken så att den snabbt kan användas som svar på framtida pandemier. + Utforska vidare

Forskning kan leda till nanosensorer som känner igen fibrinogen, insulin eller andra biomarkörer