Eerste sneltest voor mpox ontwikkeld, kan worden aangepast voor andere opkomende ziekten

De eerste snelle test voor mpox, beter bekend als monkeypox, is ontwikkeld door een team van onderzoekers onder leiding van Penn State. De selectieve moleculaire sensor kan het virus binnen enkele minuten detecteren, zonder het gebruik van geavanceerde instrumentele technieken zoals polymerasekettingreactie (PCR). Huidige tests vereisen dat zorgverleners laesies afnemen en de monsters naar laboratoria sturen om te worden getest, wat enkele dagen kan duren.

De techniek, die onlangs in het tijdschrift werd gerapporteerd Geavanceerde functionele materialengebruikt heterostructuren van nanomaterialen – nul-dimensionale sferische gouden nanodeeltjes en tweedimensionale hafniumdisulfide-nanoplaatjes – als bouwstenen om een ​​platformtechnologie te creëren die geschikt is voor het detecteren van sporen van genetisch materiaal in biologische monsters.

“Dit is een grote doorbraak in de manier waarop we het virus beheersen, aangezien het de eerste snelle test voor mpox is”, zegt Dipanjan Pan, Penn State’s Dorothy Foehr Huck & J. Lloyd Huck Chair Professor in Nanomedicine, die de studie leidde. “Hoewel de huidige caseloads relatief laag zijn, naarmate het weer warmer wordt en mensen actiever worden, kunnen de zaken pieken zoals afgelopen zomer.”

“Maar het is ook belangrijk op te merken dat deze nieuwe technologie ons kan helpen ons voor te bereiden op de volgende epidemie of zelfs pandemie”, zegt Pan, die ook professor is in nucleaire engineering en materiaalkunde en engineering. “Met een kleine wijziging van de moleculen die worden gebruikt om de genetische sequenties aan te pakken, kunnen we met dezelfde methode specifiek andere virussen, bacteriën of schimmels detecteren.”

Het eerste menselijke mpox-geval dateert uit de jaren 70 en werd geïdentificeerd in de Democratische Republiek Congo en werd alleen als endemisch beschouwd in Nigeria en sommige delen van Centraal- en West-Afrika. Sinds mei 2022 heeft het virus zich verspreid naar meer dan 100 landen en meer dan 86.900 infecties over de hele wereld veroorzaakt, waarbij ongeveer een derde van de wereldwijde gevallen geconcentreerd is in de Verenigde Staten.

Mpox-virus wordt voornamelijk overgedragen door nauw fysiek contact en veroorzaakt een ziekte met symptomen die lijken op die van pokken, hoewel minder ernstig. Een groeiend aantal onderzoeken van de Centers for Disease Control and Prevention toont aan dat mensen het mpox-virus kunnen verspreiden naar anderen dagen voordat de symptomen verschijnen, waardoor vroege detectie via testen een cruciaal hulpmiddel is om verspreiding te verminderen.

Momenteel blijven therapieën en vaccins met twee doses onvoldoende om besmetting te stoppen, waardoor een snelle diagnose de enige optie is om de ziekte in te dammen, legde Pan uit. PCR is de enige beschikbare door de FDA goedgekeurde test die bekend is voor mpox, ondanks de beperkingen van complexe monsterverzameling, transport en onvoldoende toegang tot geavanceerde instrumentele faciliteiten. Een snelle test, waarvoor slechts een klein stukje laesie-uitstrijkje nodig is en een korte wachttijd voor resultaten, zou de overdrachtssnelheid van het virus dramatisch kunnen vertragen, voegde hij eraan toe.

“We waren geïnteresseerd in het ontwikkelen van een gevoelige detectiemethode voor ziekteverwekkers in het algemeen, en wilden het concept ook toepassen op een opkomende ziekteverwekker zoals mpox, omdat er een reële urgentie is voor deze snelle nucleïnezuurtest, ” zei Pan. “Er zal een aanzienlijke impact zijn op de volksgezondheid als gevolg van deze technologie.”

De technologie maakt gebruik van “plasmonische” nanodeeltjes, kleine metaaldeeltjes met unieke optische eigenschappen vanwege hun grootte en vorm. In dit geval is het metaaldeeltje op nanoschaal goud, dat zo klein is verfijnd dat het als nul-dimensionaal wordt beschouwd. Het is gelaagd met hafniumdisulfide, een anorganische, tweedimensionale verbinding van hafnium en zwavel die slechts enkele atomen dik is.

“Er zijn veel plasmonische tests voor ziekteverwekkers die er zijn,” zei Pan. “Maar dit is de eerste keer dat we hebben aangetoond dat een nul-dimensionaal plasmondeeltje en tweedimensionale nanoplaatjes een heterostructuur vormen die leidt tot verbetering van plasmon, wat op zijn beurt een verbetering van de gevoeligheid biedt.”

Het nuldimensionale gouden nanodeeltje en tweedimensionale hafniumsulfide werken samen om heterostructuren te vormen die functioneren als zeer nauwkeurige sensoren, met optische eigenschappen die dramatisch veranderen in de aanwezigheid van externe triggers, zoals genetisch materiaal.

“Ons werk gaat over plasmonics, de manipulatie van de lichtstroom met behulp van nanogestructureerde metalen materialen, ” zei Pan. “Door het gebruik van nieuwe materialen en chemie proberen we te begrijpen hoe deze plasmon-eigenschappen worden gemanipuleerd om te reageren op verschillende biologische signalen.”

In dit geval was het signaal afkomstig van sporen van viraal DNA, met name het geconserveerde gebied van het mpox-virusgenoom dat niet onderhevig is aan mutaties. Nanodeeltjes zijn in het verleden gebruikt om veranderingen in biologische systemen waar te nemen, zei Pan, maar dit is de eerste keer dat twee objecten op nanoschaal in twee verschillende dimensies zijn ingezet om een ​​opkomende ziekteverwekker te detecteren.

“Deze techniek vereist geen dure apparatuur of geschoold personeel en kan worden aangepast aan toekomstige mutaties of opkomende ziekteverwekkers,” zei Pan.

Hij legde uit dat zijn laboratorium het systeem nu test tegen een panel van andere ziekteverwekkers om de brede toepasbaarheid voor virale detectie te bevestigen. Zodra de test klinisch is gevalideerd, gaat het lab op zoek naar commerciële partners om met hen samen te werken om de technologie op de markt te brengen, voegde Pan eraan toe.

“Wetenschappers streven ernaar het publiek geavanceerde, geavanceerde technologieën te bieden waarmee ze zelf een diagnose kunnen stellen of een diagnose kunnen krijgen op het zorgpunt,” zei Pan. “Dit is wat we hebben gedaan.”