Under de senaste fyra åren har många av oss vant oss vid att ta en svep i näsan för att testa för covid-19, med hjälp av snabba antigentest hemma eller de mer exakta PCR-tester som tillhandahålls av kliniken med längre handläggningstid. Nu kan ett nytt diagnostiskt verktyg utvecklat av UC Santa Cruz Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering Holger Schmidt och hans medarbetare testa för SARS-CoV-2 och Zika-virus med samma eller bättre noggrannhet som PCR-tester med hög precision på några timmar .
I en artikel i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences , Schmidt och projektgruppen beskriver sitt system, som kombinerar optofluidik och nanoporeteknologi för att skapa ett labb-på-ett-chip-diagnostik. Teamets framgång med djurmodeller gör dem hoppfulla om att denna teknik kan vara en stor innovation för framtiden för snabb diagnostik.
"Detta kan förvandlas till nästa stora diagnostiska system", säger Aaron Hawkins, professor i elektro- och datorteknik vid Brigham Young University och en senior författare på tidningen. "Du blir sjuk, du går till sjukhuset eller läkaren, och deras tester är beroende av den här tekniken. Det finns en väg där detta kan installeras precis där [på ett sjukhus eller en klinik], så du skulle inte behöva vänta på att få din resultat."
Denna forskning är ett resultat av långvarigt samarbete mellan Schmidt, Hawkins och professor Jean Patterson vid Texas Biomedical Research Institute.
Medan PCR-testning för närvarande är guldstandarden för noggrannhet för virologisk testning, misslyckas metoden på flera sätt. PCR-tester är mycket komplexa och kräver kemiska reaktioner som måste utföras av skickliga operatörer, vanligtvis på ett centralt laboratorium, ibland tar det dagar att få tillbaka testresultaten. Dessa komplexa reaktioner behövs för amplifiering av viralt DNA eller RNA, en process för att göra flera kopior av det genetiska materialet som kan introducera och amplifiera fel.
PCR-tester kan också bara detektera nukleinsyror, materialet som utgör DNA och RNA. Men när det gäller vissa sjukdomar kan det vara otroligt användbart att upptäcka andra biomarkörer som proteiner.
Det nya diagnostiska verktyget löser båda dessa problem. Det kräver lite provberedning och är helt amplifieringsfritt och etikettfritt, det senare betyder att det inte använder ljus för att identifiera biomarkörer. Detta minskar dramatiskt tiden och komplexiteten i diagnosprocessen.
"Potentialen är enorm," sa Patterson. "Tanken att du inte behöver förstärka för att få korrekta resultat är ett stort framsteg, i nivå med hur PCR var ett otroligt steg framåt när det kom ut."
Det nya diagnostiska systemet kombinerar Schmidts expertområde inom optofluidik, som är kontroll av små mängder vätskor med strålar av ljus, med en nanopore för att räkna enstaka nukleinsyror för att läsa genetiskt material. Verktyget har utformats för att testa för Zika- och COVID-19-virus, som har varit särskilt medicinskt relevanta de senaste åren och prioriterade områden för National Institutes of Health.
"Vi byggde upp ett enkelt lab-on-a-chip-system som kan utföra tester på miniatyrnivå med hjälp av mikrofluidik, kiselchips och nanoporedetektionsteknologier", säger Mohammad Julker Neyen Sampad, Schmidts doktorand och tidningens första författare. "Enkel, lätt utveckling av verktyg med låga resurser var vårt mål – och jag tror att vi kom dit."
För att köra testet blandas ett prov av biovätska i en behållare med magnetiska mikropärlor. För denna studie använde forskarna biovätskor inklusive saliv och blod från babianer och silkesapor vid Texas Biomedical Research Institute.
Mikropärlorna är designade med en matchande RNA-sekvens av sjukdomen som testet är designat för att upptäcka. Till exempel, om det är ett COVID-19-detektionstest, kommer mikropärlorna att ha strängar av SARS-CoV-2-RNA på sig. Om det finns SARS-CoV-2-virus i provet kommer virusets RNA att binda till pärlorna. Efter en kort väntetid drar forskaren de magnetiska pärlorna ner till botten av behållaren och tvättar ur allt annat.
Pärlorna sätts in i ett mikrofluidikchip av kisel designat och tillverkat av Hawkins grupp, där de rinner genom en lång, tunn kanal täckt av ett ultratunt membran, vars design Hawkins kallar ett "ingenjörsmirakel". Pärlorna fastnar i en ljusstråle som trycker dem mot en vägg i kanalen, som innehåller en nanopor, en liten öppning på bara 20 nanometer – som jämförelse är ett människohår cirka 80 000–100 000 nanometer brett.
Forskarna applicerar värme på chippet, vilket gör att RNA-partiklarna lossnar från pärlorna och sugs in i nanoporen, som upptäcker att virus-RNA är närvarande.
Deras försök visade att testet detekterade viruset korrekt för varje prov som PCR-testet kunde upptäcka, även vid extremt låga koncentrationer av viruset. Det fanns tillfällen där PCR-testet inte kunde upptäcka ett fall av ett av virusen medan Schmidts system gjorde det, vilket visade att deras system kan vara mer exakt än PCR.
Sammantaget är mikrofluidiksystemet mycket mindre och mindre komplext än en PCR-maskin. Om detta koncept släpps ut på marknaden som en produkt, skulle dess kompakta storlek lätt kunna passa in i en forskares labb, vilket möjliggör mycket snabbare resultat för virologitestning, ökar tillgängligheten för testning och snabbar upp tiden till resultat från dagar till timmar.
"Om vi bygger ett instrument av det här systemet kan en forskare ha det i biosäkerhetsnivå-4-labbet där det aldrig lämnar rummet, och du kan bara droppa i lite provvätska och köra testet på en timme." sa Schmidt. "Jag tror att det skulle hjälpa till att påskynda testningen."
Testet kördes med sex olika biovätskor, inklusive saliv, blod och svalgpinnar, som kan innehålla olika virusmängder. Detta kan göra det möjligt för forskare att bättre studera hur sjukdomar passerar genom kroppen hos olika djur.
Medan testet i det aktuella skedet utvecklades för att upptäcka SARS-CoV-2- och Zika-virus, kunde forskare göra justeringar för att hitta alla virus som de har ett genetiskt prov för. I framtida utvecklingar planerar de för ytterligare förenkling och minimering av systemet, samt att göra det möjligt för det att testa för flera typer av sjukdomar samtidigt, en funktion som kallas sjukdomsmultiplexering.
Schmidt avser också att använda detta koncept för att utveckla diagnostiska verktyg för cancerbiomarkörer och andra hälsotillstånd som lämnar spår av DNA/RNA eller protein i kroppen. Det kommer sannolikt att dröja några år innan detta koncept kommersialiseras och lanseras på marknaden.
Mer information: Sampad, Mohammad Julker Neyen, Etikettfri och amplifieringsfri viral RNA-kvantifiering från primater biovätskor med hjälp av en fångstassisterad optofluidisk nanopore-plattform, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2400203121. doi.org/10.1073/pnas.2400203121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of California - Santa Cruz
