Geprogrammeerde magnetische nanobeads in combinatie met een standaard mobiele telefoon en plug-in diagnosetool kunnen COVID-19 in 55 minuten of minder diagnosticeren, rapporteren onderzoekers. (Krediet: Jeff Fitlow / Rice)
Met behulp van geprogrammeerde magnetische nanobeads kan een diagnosetool die op een standaardtelefoon wordt aangesloten, COVID-19 in 55 minuten of minder diagnosticeren.
De microfluïdische chip ter grootte van een postzegel meet de concentratie van SARS-CoV-2 nucleocapside (N) -eiwit in bloedserum uit een standaard vingerprik. De nanobeads binden zich aan het SARS-CoV-2 N-eiwit, een biomarker voor COVID-19, in de chip en transporteren deze naar een elektrochemische sensor die minieme hoeveelheden van de biomarker detecteert.
De onderzoekers zeggen dat hun proces het hanteren van monsters vereenvoudigt in vergelijking met op wattenstaafjes gebaseerde PCR-tests die veel worden gebruikt om COVID-19 te diagnosticeren en in een laboratorium moeten worden geanalyseerd.
"Het mooie van dit apparaat is dat er geen laboratorium voor nodig is", zegt Peter Lillehoj, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Rice University. “Je kunt de hele test uitvoeren en de resultaten genereren op de inzamelingssite, gezondheidskliniek of zelfs een apotheek. Het hele systeem is gemakkelijk te vervoeren en gebruiksvriendelijk. "
Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift ACS-sensoren.
Lillehoj en afgestudeerde student en hoofdauteur Jiran Li maakten gebruik van bestaande biosensing-tools en combineerden deze met hun eigen ervaring in het ontwikkelen van eenvoudige diagnostiek, zoals een micronaaldpatch die vorig jaar werd geïntroduceerd om een diagnose te stellen malaria.
De nieuwe tool is gebaseerd op een iets complexer detectieschema, maar levert in korte tijd nauwkeurige, kwantitatieve resultaten op. Om het apparaat te testen, vertrouwde het laboratorium op gedoneerde serummonsters van mensen die gezond waren en anderen die COVID-19-positief waren.
Lillehoj zegt dat een langere incubatie nauwkeurigere resultaten oplevert bij gebruik van volledig serum. Het laboratorium ontdekte dat 55 minuten een optimale hoeveelheid tijd was voor de microchip om SARS-CoV-2 N-eiwit te detecteren in concentraties zo laag als 50 picogram (miljardsten van een gram) per milliliter in heel serum. De microchip kon N-eiwit in nog lagere concentraties detecteren, met 10 picogram per milliliter, in slechts 25 minuten door het serum vijfvoudig te verdunnen.
In combinatie met een Google Pixel 2-telefoon en een plug-in-potentiostaat, kan het apparaat een positieve diagnose stellen met een concentratie van slechts 230 picogram voor heel serum.
"Er zijn standaardprocedures om de korrels te modificeren met een antilichaam dat op een bepaalde biomarker is gericht", zegt Lillehoj. "Wanneer je ze combineert met een monster dat de biomarker bevat, in dit geval SARS-CoV-2 N-eiwit, binden ze zich aan elkaar."
Een capillair buisje wordt gebruikt om het monster naar de chip te brengen, die vervolgens op een magneet wordt geplaatst die de kralen naar een elektrochemische sensor trekt die bedekt is met invangantilichamen. De kralen binden zich aan de vangst antilichamen en het genereren van een stroom die evenredig is met de concentratie van biomarker in het monster.
De potentiostaat leest die stroom en stuurt een signaal naar zijn telefoon-app. Als er geen COVID-19-biomarkers zijn, binden de kralen niet aan de sensor en worden ze weggespoeld in de chip.
Lillehoj zegt dat het voor de industrie niet moeilijk zou zijn om de microfluïdische chips te produceren of ze aan te passen aan nieuwe COVID-19-stammen als en wanneer dat nodig is.
Over de auteurs
De National Institutes of Health, de National Science Foundation en het Rice University COVID-19 Research Fund ondersteunden het onderzoek.
