Op papier gebaseerde elektrochemische sensor kan COVID-19 in minder dan vijf minuten detecteren

Aangezien de COVID-19-pandemie zich over de hele wereld blijft verspreiden, blijft testen een belangrijke strategie voor het opsporen en beheersen van het virus. De afgestudeerde student Bioengineering, Maha Alafeef, heeft mede een snelle, ultragevoelige test ontwikkeld met behulp van een op papier gebaseerde elektrochemische sensor die de aanwezigheid van het virus in minder dan vijf minuten kan detecteren. Het team onder leiding van professor Dipanjan Pan rapporteerde hun bevindingen in ACS Nano.

“Momenteel maken we een levensveranderende gebeurtenis mee die eens in de eeuw verandert”, zei Alafeef. “We spelen in op deze wereldwijde behoefte vanuit een holistische benadering door multidisciplinaire instrumenten te ontwikkelen voor vroege detectie, diagnose en behandeling van SARS-CoV-2.”

Er zijn twee brede categorieën COVID-19-tests op de markt. De eerste categorie maakt gebruik van reverse transcriptase real-time polymerase chain reaction (RT-PCR) en nucleïnezuurhybridisatiestrategieën om viraal RNA te identificeren. Huidige door de FDA goedgekeurde diagnostische tests gebruiken deze techniek. Enkele nadelen zijn onder meer de hoeveelheid tijd die nodig is om de test te voltooien, de behoefte aan gespecialiseerd personeel en de beschikbaarheid van apparatuur en reagentia.

De tweede categorie tests richt zich op de detectie van antilichamen. Het kan echter een paar dagen tot een paar weken duren nadat een persoon aan het virus is blootgesteld om detecteerbare antilichamen te produceren.

In de afgelopen jaren hebben onderzoekers enig succes gehad met het maken van point-of-care biosensoren met behulp van 2D-nanomaterialen zoals grafeen om ziekten op te sporen. De belangrijkste voordelen van op grafeen gebaseerde biosensoren zijn hun gevoeligheid, lage productiekosten en snelle detectietijd. “De ontdekking van grafeen opende een nieuw tijdperk van sensorontwikkeling vanwege zijn eigenschappen. Grafeen vertoont unieke mechanische en elektrochemische eigenschappen die het ideaal maken voor de ontwikkeling van gevoelige elektrochemische sensoren”, aldus Alafeef. Het team creëerde een op grafeen gebaseerde elektrochemische biosensor met een elektrische uitlezing om selectief de aanwezigheid van genetisch materiaal van SARS-CoV-2 te detecteren.

Deze biosensor bestaat uit twee componenten: een platform om een ​​elektrische uitlezing te meten en sondes om de aanwezigheid van viraal RNA te detecteren. Om het platform te creëren, hebben onderzoekers eerst filtreerpapier gecoat met een laag grafeen nanoplaatjes om een ​​geleidende film te creëren. Vervolgens plaatsten ze een gouden elektrode met een vooraf gedefinieerd ontwerp bovenop het grafeen als contactvlak voor elektrische uitlezing. Zowel goud als grafeen hebben een hoge gevoeligheid en geleidbaarheid waardoor dit platform ultragevoelig is om veranderingen in elektrische signalen te detecteren.

Huidige op RNA gebaseerde COVID-19-tests screenen op de aanwezigheid van het N-gen (nucleocapside-fosfoproteïne) op het SARS-CoV-2-virus. In dit onderzoek ontwierp het team antisense oligonucleotide (ASO’s) -sondes om zich op twee regio’s van het N-gen te richten. Het richten op twee regio’s zorgt voor de betrouwbaarheid van de senor in het geval dat één regio genmutatie ondergaat. Bovendien worden gouden nanodeeltjes (AuNP) afgedekt met deze enkelstrengige nucleïnezuren (ssDNA), die een ultragevoelige sensor voor het SARS-CoV-2 RNA vertegenwoordigen.

De onderzoekers toonden eerder de gevoeligheid van de ontwikkelde sensorprobes in hun eerdere werk, gepubliceerd in ACS Nano. De hybridisatie van het virale RNA met deze sondes veroorzaakt een verandering in de elektrische respons van de sensor. De AuNP-kappen versnellen de elektronenoverdracht en wanneer ze via het detectieplatform worden uitgezonden, resulteert dit in een toename van het uitvoersignaal en duiden ze op de aanwezigheid van het virus.

Het team heeft de prestaties van deze sensor getest met behulp van COVID-19 positieve en negatieve monsters. De sensor toonde een significante toename van de spanning van positieve monsters in vergelijking met de negatieve en bevestigde de aanwezigheid van viraal genetisch materiaal in minder dan vijf minuten. Bovendien was de sensor in staat om virale RNA-ladingen in deze monsters te differentiëren. Virale belasting is een belangrijke kwantitatieve indicator van de voortgang van infectie en een uitdaging om te meten met behulp van bestaande diagnostische methoden.

Dit platform heeft verreikende toepassingen vanwege zijn draagbaarheid en lage kosten. De sensor kan, indien geïntegreerd met microcontrollers en LED-schermen of met een smartphone via Bluetooth of wifi, worden gebruikt op het punt van zorg in een dokterspraktijk of zelfs thuis. Naast COVID-19 verwacht het onderzoeksteam ook dat het systeem aanpasbaar zal zijn voor de detectie van veel verschillende ziekten.

“Het onbegrensde potentieel van bio-engineering heeft altijd mijn grootste interesse gewekt met zijn innovatieve translationele toepassingen”, zei Alafeef. “Ik ben blij te zien dat mijn onderzoeksproject een impact heeft op het oplossen van een reëel probleem. Ten slotte wil ik mijn Ph.D.-adviseur, professor Dipanjan Pan, bedanken voor zijn eindeloze steun, onderzoekswetenschapper Dr. Parikshit Moitra, en onderzoek assistent Ketan Dighe voor hun hulp en bijdrage aan het succes van deze studie. ”