Bestrijding van uitbraken van respiratoire virussen door middel van ‘nano-popcorn’-sensorgebaseerde snelle detectie

Virale luchtwegaandoeningen zijn gemakkelijk overdraagbaar en kunnen zich snel over de hele wereld verspreiden, met aanzienlijke schade tot gevolg. De aanhoudende COVID-19-pandemie is hiervan een bewijs. Ook in het verleden hebben andere virussen massale uitbraken van luchtwegaandoeningen veroorzaakt: zo was een subtype van het influenzavirus, het type A H1N1-virus, verantwoordelijk voor de Spaanse griep en de Mexicaanse griep. Om dergelijke gezondheidscrises in de toekomst te voorkomen, is een tijdige en nauwkeurige diagnose van deze virussen dus cruciaal. Dit is precies waar onderzoekers uit Korea naar hebben geprobeerd te werken in hun gloednieuwe studie.

Testen op basis van polymerasekettingreactie (PCR) zijn al tientallen jaren de gouden standaard voor het detecteren van influenzavirussen. En hoewel deze testen zeer gevoelig zijn, kunnen er dure reagentia en gecompliceerde protocollen voor nodig zijn. Een potentieel beter alternatief kan “oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiing” (SERS) zijn. Op SERS gebaseerde assays werken door een vloeibaar monster af te zetten op een substraatmateriaal met een nanogestructureerd edelmetaaloppervlak. Virale deeltjes uit de monsters worden gedetecteerd wanneer ze hybridiseren met substraatgebonden “aptameren”, moleculen die kunnen binden aan specifieke doelwitmoleculen. Deze binding wordt visueel gedetecteerd als een verandering in “signaalintensiteit”, die afneemt naarmate de virale lading toeneemt als gevolg van conformatieveranderingen op het substraat. Een groot nadeel van deze testen is echter de slechte reproduceerbaarheid van signalen van heterogene hot junctions (elektronendichte gebieden die bijdragen aan signalen).

In een poging om deze uitdaging te overwinnen, ontwierpen de bovengenoemde onderzoekers van de Chung-Ang Universiteit en het Korea Institute of Materials Science, geleid door professor Jaebum Choo, een nieuw 3D “nano-popcorn” plasmonisch substraat. Over het belang gesproken van hun studie gepubliceerd in Biosensoren en bio-elektronica, Zegt prof. Choo: “Infectieziekte, veroorzaakt door respiratoire influenza, SARS-, MERS- en SARS-2-virussen, kunnen zich periodiek verspreiden en vormen een bedreiging voor de wereldwijde gezondheid. Onze op SERS gebaseerde aptasensor-benadering biedt een nieuw diagnostisch platform voor respiratoire infectieziekten in de toekomst.”

In hun ontwerp hebben de wetenschappers twee lagen gouddeeltjes op een polymeersubstraat gecoat met opeenvolgende thermische verdamping. De twee lagen werden gescheiden door behandeling met een verbinding genaamd “perfluorodecanethiol: (PFDT). Het energieverschil tussen PFDT en goudlaag veroorzaakte dat de goudionen naar het oppervlak diffunderen en nanodeeltjes vormden die eruitzien als” popcorns “met een gelijkmatige tussenafstand. opstelling collectief versterkte de signaalintensiteit die werd geproduceerd, door het genereren van meerdere “hotspots” op het substraat.

De wetenschappers beoordeelden vervolgens de prestaties van de test met verschillende concentraties van het H1N1-virus. Ze hebben met succes verschillende virale ladingen gedetecteerd in slechts 20 minuten en vanaf een minuutvolume van 3 μL (3 microliter: een 1000^th deel van 3 ml). Bovendien kon het systeem ook verschillende stammen van influenzavirussen nauwkeurig classificeren en H1N1-virussen detecteren met een gevoeligheid die driemaal hoger is dan die van de routinematig gebruikte ELISA-tests. Niet alleen dit, de test bleek zeer reproduceerbaar te zijn. Prof. Choo is tevreden met de resultaten: “Ons assaysysteem maakte de ultragevoelige en betrouwbare analyse van het influenzavirus mogelijk. Een dergelijke methode zou een vroege diagnose mogelijk maken, de start van een antivirale behandeling vergemakkelijken en een infectiebewaking bieden, vooral voor mensen met een hoge risico op virusgerelateerde complicaties. “

Het team is er zelfs van overtuigd dat hun bevindingen ooit kunnen worden gebruikt om de huidige pandemie te bestrijden. Prof. Choo zegt: “We ontwikkelen momenteel een op SERS gebaseerde aptasensor voor de snelle diagnose van het coronavirus uit menselijke respiratoire monsters. We ontwikkelen ook een nieuwe diagnostische benadering om onderscheid te maken tussen influenza A-virussen en coronavirussen.”

Hopelijk kan de nieuwe “nano-popcorn” -test helpen om in de toekomst veel grote gezondheidscrises te bestrijden.