Nanobiosensor ontwikkeld voor het detecteren van SARS-CoV-2

Infectie en immuniteitsstatus van de bevolking worden beschouwd als sleutelparameters voor het omgaan met pandemieën. Hiervoor is het opsporen van antigenen en antilichamen van groot belang. De apparaten die momenteel voor dit doel worden gebruikt, de zogenaamde point-of-care (POC)-apparaten, zijn een optie voor snelle screening.

Hun gevoeligheid moet echter verder worden verbeterd. Wetenschappers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) zijn succesvol geweest in een dergelijke verbetering door een nanobiosensor te ontwikkelen op basis van gouden nanodraden. Oorspronkelijk alleen bedoeld voor de detectie van COVID-19-geassocieerde antigenen en antilichamen, is de biosensor ook overdraagbaar op andere biomarkers.

Uit tal van onderzoeken is inmiddels bekend dat voor het opsporen van SARS-CoV-2 zogenaamde POC lateral flow tests (LFT) een goed en nauwkeurig alternatief zijn voor de reverse transcriptase-polymerase kettingreactie, algemeen bekend als PCR-testen. De talrijke voordelen van LFT ten opzichte van PCR-testen zijn onder meer snelle detectie, testen ter plaatse, lage kosten en werking zonder laboratoriumapparatuur.

De grootste tekortkoming van POC-biosensoren is echter dat hun gevoeligheid afhankelijk is van de virale belasting. Bij een hoge viral load is de gevoeligheid honderd procent, bij een lage viral load kan de gevoeligheid onder de tien procent zakken. Dit kan leiden tot fout-negatieve testresultaten. Het doel van de HZDR-onderzoekers was om sensorsystemen te ontwikkelen die ook kunnen worden gebruikt voor het detecteren van lage virusbelastingen en die snelle en nauwkeurige resultaten opleveren.

Om dit te doen, gebruikten Dr. Larysa Baraban en haar team van het HZDR-Instituut voor Radiofarmaceutisch Kankeronderzoek nanodraden gemaakt van goud, die kunnen worden gebruikt om verschillende biomoleculen zoals enzymen, eiwitten en antilichamen te detecteren.

Deze benadering werd gecombineerd met elektrochemische impedantiespectroscopie, een techniek die informatie geeft over verschillende processen op het grensvlak tussen elektrode en elektrolyt, waaronder ladingsoverdracht, diffusietransport en de vorming van een elektrische dubbellaag, en over de eigenschappen van het meetsysteem. Dit omvat oplossingsweerstand en ruwheid of porositeit van het elektrodeoppervlak.

“In ons werk hebben we een nanoscopische biosensorchip ontwikkeld die bestaat uit zes paar in elkaar grijpende gouden nanodraadapparaten voor het detecteren van SARS-CoV-2-antigenen en antilichamen”, zegt Baraban van het project.

“Dit maakt het mogelijk om zowel COVID-19-geassocieerde antigenen te detecteren als corresponderende antilichamen die verschijnen tijdens en na infectie met het virus. We gaan ervan uit dat de methode ook overdraagbaar is op andere biomarkers en pathogenen. De functionele laag gericht op het biomolecuul moet worden aangepast dienovereenkomstig voor dit doel.”

Met de industrie worden momenteel overwegingen en gesprekken gevoerd over hoe de sensor tegen lage kosten in grote hoeveelheden kan worden vervaardigd.

Het onderzoek wordt gepubliceerd in het tijdschrift ACS-sensoren.