Nieuwe, betere coronavirus sneltest

Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI en de Universiteit van Basel hebben een sneltest voor COVID-19 ontwikkeld. Het nieuwe functionele principe belooft betrouwbare en kwantificeerbare resultaten met betrekking tot de COVID-19-ziekte van een patiënt en het beloop ervan, evenals bewijs met betrekking tot andere ziekten en COVID-varianten die mogelijk aanwezig zijn. Voordat het echter wijdverbreid kan worden gebruikt, moet het nog verder worden getest en geoptimaliseerd. De onderzoekers rapporteren over hun ontwikkeling in het tijdschrift ACS toegepaste nanomaterialen.

Een grote tekortkoming van snelle antigeentests – zoals aangetoond door een recent onderzoek door een onderzoeksgroep onder leiding van Heinrich Scheiblauer van het Duitse Paul Ehrlich Instituut – is hun gebrek aan betrouwbaarheid. Van de 122 testkits van verschillende fabrikanten die voor het onderzoek werden getest, faalde een vijfde en voldeed niet eens aan de minimumvereiste om 75 procent van de proefpersonen met een hoge virale lading als coronaviruspositief te identificeren. Nog een nadeel: de tests zeggen alleen of de proefpersoon de infectie heeft of niet. Ze geven geen inzicht in het verloop van de infectie of de afweerreactie van de proefpersonen.

Nu is er een nieuwe test ontwikkeld bij PSI – die, in tegenstelling tot antigeentests, niet direct componenten van het virus detecteert, maar eerder de antilichamen die het immuunsysteem produceert als reactie op de infectie – belooft aanzienlijk meer voorspellende kracht te geven aan snelle tests. Het is net zo goedkoop, snel en gemakkelijk te gebruiken, en het kan ook worden gebruikt om gelijktijdig verschillende ziekteverwekkers te identificeren, zoals degenen die verantwoordelijk zijn voor de griep. “Het levert dus ook meer gegevens op dan eerdere snelle antilichaamtests die worden gebruikt om te bepalen of iemand al een coronavirusinfectie heeft gehad”, zegt Yasin Ekinci, hoofd van het Laboratory for X-ray Nanoscience and Technologies bij PSI, die verantwoordelijk was voor het project om de nieuwe test te ontwikkelen.

De centrale bouwsteen van de test is een kleine rechthoekige plaat van gewoon plexiglas, vergelijkbaar met een microscoopglaasje. Het bestaat uit een onderlaag van één millimeter dik en een bovenlaag met een dikte van 0,2 millimeter. De onderzoekers vormden een reliëf in het onderste deel met behulp van elektronenstraallithografie – een uiterst nauwkeurig proces voor het frezen van vaste materialen die bijvoorbeeld worden gebruikt bij de productie van computerchips. Toen de mastersjabloon op deze manier was geproduceerd, combineerden de onderzoekers dit met zogenaamde nanoimprint-lithografie, wat het fabricageproces aanzienlijk versnelt en de kosten verlaagt.

Multifunctionele microstructuur

Met de dunnere laag plexiglas als afdekking heeft de plaat nu drie parallelle kanalen waardoor een vloeistof van het ene uiteinde naar het andere kan stromen. Elk van deze is 300 micrometer (0,3 millimeter) breed en 3,4 micrometer hoog bij de inlaat. Bij de uitlaat zijn de kanalen vijf keer zo breed maar slechts één micrometer hoog. Langs een stuk tussenin versmalt het kanaal tot slechts enkele micrometers breed, en op een gegeven moment is het slechts 0,8 micrometer hoog – ongeveer 100 keer dunner dan mensenhaar.

“Deze speciale kanaalstructuur dient meerdere doelen tegelijk”, zegt Thomas Mortelmans, een promovendus aan het Zwitserse Nanoscience Institute van de Universiteit van Basel en eerste auteur van de studie. Mortelmans deed zijn onderzoek bij PSI’s Laboratory for X-ray Nanoscience and Technologies. Het zorgt enerzijds voor een sterke capillaire werking, zoals de bekende werking van de leidingweefsels die water van de wortels naar de kruinen van bomen transporteren. Er is geen pomp nodig. De kracht is het gevolg van de grensvlakspanning tussen de vloeistof en het vaste oppervlak. Het zuigt vrijwel het water door de nauwe doorgangen. Precies hetzelfde gebeurt met de kanalen in het plexiglas – behalve dat er in plaats van water een druppel bloed doorheen stroomt.

Cruciaal voor de test is een doorgang waarbij de hoogte van het kanaal zakt van 3,4 micrometer naar 0,8. In wat de onderzoekers het capture-gebied noemen, komen eerder aan het bloed toegevoegde deeltjes vast te zitten op vooraf gedefinieerde locaties – afhankelijk van welke ziekteverwekkers in het bloed aanwezig zijn. Voor de test, legt Mortelmans uit, zou een proefpersoon naar een arts of een testcentrum gaan. Daar wordt met een vingerprik een klein druppeltje bloed afgenomen, zoals bij een bloedsuikertest. In het bloed wordt een vloeistof gemengd waarin speciale kunstmatige nanodeeltjes zijn gesuspendeerd. Hun oppervlak heeft dezelfde structuur als de beruchte spike-eiwitten van het SARS-CoV-2-virus, waar menselijke antilichamen zich aan vastklampen bij de bestrijding van de ziekte. Daarnaast worden er kleine fluorescerende deeltjes toegevoegd die zich bij de mens hechten aan SARS-CoV-2-antilichamen.

Dit betekent dat als er antistoffen tegen SarsCoV-2 in het te testen bloed zitten, de fluorescerende deeltjes zich daar eerst aan hechten; samen binden ze zich vervolgens aan de virusachtige structuren van de aanzienlijk grotere nanodeeltjes en komen ze samen met hen vast te zitten op de vooraf gedefinieerde plaatsen die overeenkomen met de diameter van de nanodeeltjes. “Daar is het kanaal precies 2,8 micrometer hoog”, zegt Mortelmans. Hier hopen de nanodeeltjes zich op, met de menselijke antilichamen en hun gloeiende aanhangsels eraan vastgemaakt. Als de plaat onder een fluorescentiemicroscoop wordt geplaatst, is het lichtsignaal zichtbaar. Hoe meer antilichamen de patiënt heeft gevormd, hoe helderder het is; hoe duidelijker het signaal, hoe sterker de immuunreactie. Zo kan COVID-19 duidelijk worden gediagnosticeerd. “Bovendien kun je aan de hand van de signaalsterkte zien of het immuunsysteem goed reageert en een mild verloop te verwachten is – of dat het misschien overreageert, waardoor er kans op complicaties is”, legt Mortelmans uit.

Eén sneltest met veel mogelijkheden

Er is geen risico dat het kanaal wordt geblokkeerd door andere deeltjes in het bloed. De virussen zelf zijn slechts ongeveer 0,12 micrometer groot en stromen zonder weerstand door. Alleen de rode bloedcellen naast de nanodeeltjes zijn groter dan het smalste deel van het kanaal. “In het begin van ons ontwikkelingsproject zorgden ze voor problemen”, zegt Mortelmans. “Maar we hebben het kanaal geoptimaliseerd zodat ze er nu doorheen glippen.” De onderzoekers profiteerden van het feit dat de cellen flexibel en samendrukbaar zijn: “De capillaire kracht is nu zo groot dat het de bloedcellen door elke vernauwing van het kanaal perst.”

De test opent nog meer mogelijkheden dan het diagnosticeren van COVID-19. Daarnaast zouden nanodeeltjes van verschillende groottes en met verschillende oppervlaktestructuren in het bloed kunnen worden gemengd om gelijktijdig op andere ziekten te kunnen testen. In het onderzoek deed Mortelmans dat met deeltjes waarvan het oppervlak overeenkomt met influenza A-virussen. Bij de experimenten lichtten twee plekken in het vanggebied op: één voor COVID-19 en één voor griep.

Bovendien is het mogelijk om verschillende antilichamen te identificeren die het immuunsysteem in verschillende stadia van de ziekte produceert. Je zou bijvoorbeeld groene fluorescerende deeltjes kunnen gebruiken die zich alleen hechten aan antilichamen die in de vroege fase van de infectie verschijnen, en rode fluorescerende deeltjes aan antilichamen die in latere stadia door het immuunsysteem worden aangemaakt. “De test kan op veel manieren worden uitgebreid”, zegt Mortelmans. “We zouden bijvoorbeeld zonder problemen tien verschillende ziekten tegelijk kunnen testen en ook nog vier kleuren kunnen gebruiken.” Natuurlijk kan het aantal kanalen ook worden vergroot om nog meer varianten te testen. In principe zijn het tweede en derde kanaal er alleen om het resultaat van het eerste te bevestigen. Ze kunnen echter ook worden gebruikt om verschillende tests uit te voeren. “In principe hebben we hier een systeem vergelijkbaar met Lego, waarin je verschillende onderdelen kunt combineren”, zegt projectmanager Yasin Ekinci.

De onderzoekers begonnen kort na het begin van de coronaviruspandemie met hun werk aan de nieuwe test. “We waren destijds bezig met een diagnostische test voor Parkinson”, zegt Ekinci. “Toen de pandemie uitbrak, vroegen we ons af hoe wij als onderzoeksinstituut konden bijdragen aan het overwinnen ervan.” De ontwikkeling duurde echter langer omdat de test zo nieuw is, omdat er in het begin weinig bekend was over het virus en omdat ook patiëntenmonsters moeilijk te verkrijgen waren.

Voor het onderzoek werd het apparaat getest met 29 bloedmonsters, waarvan 19 afkomstig van geïnfecteerde mensen en 10 van niet-geïnfecteerde mensen. Met uitzondering van één fout-negatief geval was de test altijd correct. Ook dit werd geconstateerd tijdens de vervolgtest. “Natuurlijk moeten we nog veel meer testen doen om een ​​solide uitspraak te doen over de betrouwbaarheid, en er is nog veel ruimte voor verbetering. Maar het is veelbelovend”, zegt Ekinci.

Daarnaast moet de test nog eenvoudiger uit te voeren worden. “We werken eraan om het net zo makkelijk te maken met speeksel in plaats van bloed”, meldt Mortelmans. “Ook willen we in plaats van een microscoop een camera van een mobiele telefoon kunnen gebruiken om de signalen uit te lezen. Moderne apparaten kunnen dat nu ook.” Zo’n test duurt momenteel tussen de 10 en 30 minuten. Maar het kan ook in twee minuten; het wordt momenteel met dat doel geoptimaliseerd. “Onze visie is een technologie”, zegt Ekinci, “waarmee we verschillende ziekten en varianten van COVID en griep tegelijkertijd betrouwbaar, snel en goedkoop via de mobiele telefoon kunnen diagnosticeren. Ons nieuwe concept is in staat om dit te realiseren.”