COVID-19-antilichamen detecteren in 10 seconden

Onderzoekers van de Carnegie Mellon University rapporteren bevindingen over een geavanceerd biosensingplatform op basis van nanomaterialen dat binnen enkele seconden antilichamen detecteert die specifiek zijn voor SARS-CoV-2, het virus dat verantwoordelijk is voor de COVID-19-pandemie. Naast het testen, zal het platform helpen om de immunologische respons van de patiënt op de nieuwe vaccins nauwkeurig te kwantificeren.

De resultaten zijn deze week in het tijdschrift gepubliceerd Geavanceerde materialen. De medewerkers van Carnegie Mellon waren onder meer de Universiteit van Pittsburgh (Pitt) en de UPMC.

Het testplatform identificeert de aanwezigheid van twee van de virus-antilichamen, het spike S1-eiwit en het receptorbindende domein (RBD), in een zeer kleine druppel bloed (ongeveer 5 microliter). Antilichaamconcentraties kunnen extreem laag zijn en toch worden gedetecteerd onder één picomolair (0,15 nanogram per milliliter). Deze detectie gebeurt door middel van een elektrochemische reactie in een handzaam microfluïdisch apparaat dat de resultaten vrijwel onmiddellijk naar een eenvoudige interface op een smartphone stuurt.

“We hebben de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van materialen en fabricage gebruikt, zoals 3D-printen met nanodeeltjes om een ​​apparaat te maken dat snel COVID-19-antilichamen detecteert”, zegt Rahul Panat, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan Carnegie Mellon die gespecialiseerde additieve fabricagetechnieken gebruikt voor onderzoek variërend van hersencomputerinterfaces tot biomonitoringapparatuur.

Een additieve fabricagetechnologie, aerosol jet 3-D-printen genaamd, is verantwoordelijk voor de efficiëntie en nauwkeurigheid van het testplatform. Kleine, goedkope gouden micropillaire elektroden worden op nanoschaal geprint met aerosoldruppeltjes die thermisch aan elkaar zijn gesinterd. Dit veroorzaakt een ruw, onregelmatig oppervlak dat zorgt voor een groter oppervlak van de micropillars en een versterkte elektrochemische reactie, waar antilichamen zich kunnen hechten aan antigenen die op de elektrode zijn gecoat. Door de specifieke geometrie kunnen de micropillars meer eiwitten laden voor detectie, wat resulteert in zeer nauwkeurige, snelle resultaten.

De test heeft een zeer laag foutenpercentage omdat de bindingsreactie tussen het antilichaam en het antigeen dat in het apparaat wordt gebruikt, zeer selectief is. De onderzoekers konden dit natuurlijke ontwerp in hun voordeel benutten.

De resultaten komen op een dringend moment tijdens de COVID-19-pandemie. “Omdat onze techniek de immuunrespons op vaccinatie kan kwantificeren, is het zeer relevant in de huidige omgeving”, zei Panat.

Panat werkte samen met Shou-Jiang Gao, leider van het kankervirologieprogramma aan het Hillman Cancer Center van UPMC en hoogleraar microbiologie en moleculaire genetica in Pitt. Azahar Ali, een onderzoeker in Panat’s Advanced Manufacturing and Materials Lab, was de hoofdauteur van het onderzoek.

Snelle diagnose voor de behandeling en preventie van overdraagbare ziekten is een volksgezondheidsprobleem dat verder gaat dan de huidige COVID-19-pandemie. Omdat het voorgestelde detectieplatform generiek is, kan het worden gebruikt voor de snelle detectie van biomarkers voor andere infectieuze agentia zoals ebola, hiv en zika. Zo’n snelle en effectieve test zou een game-changer kunnen zijn om de verspreiding van ziekten te beheersen.