Op koolstof nanobuisjes gebaseerde sensor kan SARS-CoV-2-eiwitten detecteren

Met behulp van gespecialiseerde koolstofnanobuisjes hebben MIT-ingenieurs een nieuwe sensor ontworpen die SARS-CoV-2 zonder antilichamen kan detecteren, wat binnen enkele minuten een resultaat oplevert. Hun nieuwe sensor is gebaseerd op technologie die snel een snelle en nauwkeurige diagnostiek kan genereren, niet alleen voor COVID-19 maar voor toekomstige pandemieën, zeggen de onderzoekers.

“Een snelle test betekent dat je in een toekomstige pandemie veel eerder kunt reizen. Je kunt mensen die uit een vliegtuig stappen screenen en bepalen of ze in quarantaine moeten of niet. Je zou op dezelfde manier mensen kunnen screenen die hun werkplek binnenkomen, enzovoort”, zegt Michael Strano, de Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering aan het MIT en de senior auteur van de studie. “We hebben nog geen technologie die dergelijke sensoren snel genoeg kan ontwikkelen en inzetten om economische schade te voorkomen.”

De diagnose is gebaseerd op koolstof nanobuis sensortechnologie die het laboratorium van Strano eerder heeft ontwikkeld. Toen de onderzoekers eenmaal aan een COVID-19-sensor begonnen te werken, kostte het hen slechts 10 dagen om een ​​gemodificeerde koolstofnanobuis te identificeren die in staat was om selectief de virale eiwitten te detecteren waarnaar ze op zoek waren, en deze vervolgens te testen en op te nemen in een werkend prototype. Deze benadering elimineert ook de noodzaak voor antilichamen of andere reagentia die tijdrovend zijn om te genereren, te zuiveren en algemeen beschikbaar te maken.

MIT-postdoc Sooyeon Cho en afgestudeerde student Xiaojia Jin zijn de hoofdauteurs van het artikel, dat vandaag verschijnt in Analytische scheikunde. Andere auteurs zijn onder meer MIT-afgestudeerde studenten Sungyun Yang en Jianqiao Cui, en postdoc Xun Gong.

Moleculaire herkenning

Enkele jaren geleden ontwikkelde het laboratorium van Strano een nieuwe benadering voor het ontwerpen van sensoren voor een verscheidenheid aan moleculen. Hun techniek is gebaseerd op koolstof nanobuisjes – holle, nanometer dikke cilinders gemaakt van koolstof die van nature fluoresceren wanneer ze worden blootgesteld aan laserlicht. Ze hebben aangetoond dat ze door dergelijke buizen in verschillende polymeren te wikkelen, sensoren kunnen maken die reageren op specifieke doelmoleculen door ze chemisch te herkennen.

Hun aanpak, bekend als Corona Phase Molecular Recognition (CoPhMoRe), maakt gebruik van een fenomeen dat optreedt wanneer bepaalde soorten polymeren zich binden aan een nanodeeltje. Deze moleculen, die bekend staan ​​als amfifiele polymeren, hebben hydrofobe gebieden die als ankers aan de buizen vastklikken en hydrofiele gebieden die een reeks lussen vormen die zich van de buizen af ​​uitstrekken.

Die lussen vormen een laag die een corona wordt genoemd en die de nanobuis omgeeft. Afhankelijk van de rangschikking van de lussen, kunnen verschillende soorten doelwitmoleculen in de ruimten tussen de lussen wiggen, en deze binding van het doelwit verandert de intensiteit of piekgolflengte van fluorescentie geproduceerd door de koolstofnanobuis.

Eerder dit jaar ontvingen Strano en InnoTech Precision Medicine, een in Boston gevestigde diagnostische ontwikkelaar, een subsidie ​​van de National Institutes of Health om een ​​CoPhMoRe-sensor voor SARS-CoV-2-eiwitten te maken. Onderzoekers in Strano’s lab hadden al strategieën ontwikkeld waarmee ze konden voorspellen welke amfifiele polymeren het beste zullen interageren met een bepaald doelmolecuul, dus ze waren in staat om snel een set van 11 sterke kandidaten voor SARS-CoV-2 te genereren.

Binnen ongeveer 10 dagen na de start van het project hadden de onderzoekers nauwkeurige sensoren geïdentificeerd voor zowel het nucleocapside als het spike-eiwit van het SARS-CoV-2-virus. Gedurende die tijd waren ze ook in staat om de sensoren op te nemen in een prototype-apparaat met een glasvezelpunt dat in realtime fluorescentieveranderingen van het biovloeistofmonster kan detecteren. Dit elimineert de noodzaak om het monster naar een laboratorium te sturen, wat vereist is voor de gouden standaard PCR-diagnostische test voor COVID-19.

Dit apparaat produceert binnen ongeveer vijf minuten een resultaat en kan concentraties van slechts 2,4 picogram viraal eiwit per milliliter monster detecteren. In meer recente experimenten die zijn uitgevoerd nadat dit artikel was ingediend, hebben de onderzoekers een detectielimiet bereikt die lager is dan de snelle tests die nu in de handel verkrijgbaar zijn.

De onderzoekers toonden ook aan dat het apparaat het SARS-CoV-2 nucleocapside-eiwit (maar niet het spike-eiwit) kon detecteren wanneer het werd opgelost in speeksel. Het detecteren van virale eiwitten in speeksel is meestal moeilijk omdat speeksel kleverige koolhydraat- en spijsverteringsenzymmoleculen bevat die de eiwitdetectie verstoren. Daarom zijn voor de meeste COVID-19-diagnostiek neusuitstrijkjes vereist.

“Deze sensor vertoont het hoogste bereik van detectielimiet, responstijd en speekselcompatibiliteit, zelfs zonder enig antilichaam- en receptorontwerp”, zegt Cho. “Het is een uniek kenmerk van dit type moleculair herkenningsschema dat snel ontwerp en testen mogelijk is, niet gehinderd door de ontwikkelingstijd en supply chain-vereisten van een conventioneel antilichaam of enzymatische receptor.”

Snelle reactie

De snelheid waarmee de onderzoekers een werkend prototype konden ontwikkelen, suggereert dat deze aanpak nuttig kan zijn om tijdens toekomstige pandemieën sneller diagnostiek te ontwikkelen, zegt Strano.

“We kunnen in een extreem korte tijd van iemand die ons virale markers overhandigt, naar een werkende glasvezelsensor gaan”, zegt hij.

Sensoren die afhankelijk zijn van antilichamen om virale eiwitten te detecteren, die de basis vormen van veel van de snelle COVID-19-tests die nu beschikbaar zijn, hebben veel meer tijd nodig om te ontwikkelen omdat het proces van het ontwerpen van het juiste eiwitantilichaam zo tijdrovend is.

De onderzoekers hebben patent aangevraagd op de technologie in de hoop dat deze op de markt kan worden gebracht voor gebruik als COVID-19-diagnose. Strano hoopt ook de technologie verder te ontwikkelen, zodat deze snel kan worden ingezet bij toekomstige pandemieën.