Productie van het nanodeeltjesingrediënt voor in Australië gemaakte COVID-tests

Terwijl de nationale uitrol van het COVID-19-vaccin in Australië doorgaat en de dreiging van nieuwe en bestaande wereldwijde varianten opdoemt, blijven snelle tests essentieel voor identificatie, contactopsporing en inperking van infectie.

Ons onderzoeksteam, met de steun van onze Australische medewerkers, is bijna een jaar bezig met het voltooien van een zoektocht van een jaar om commerciële hoeveelheden van lokaal geproduceerde magnetische nanodeeltjes te ontwikkelen – een belangrijk ontbrekend ingrediënt voor een volledig in Australië gemaakte COVID-19-testkit.

Terwijl antilichaamtesten (die in de meeste Australische testcentra worden gebruikt) kunnen aantonen welke mensen al zijn blootgesteld en een immuunrespons hebben ontwikkeld, zijn polymerasekettingreactietests (PCR) de gouden standaard om te bepalen of een persoon momenteel geïnfecteerd is.

Veel Australiërs, en inderdaad veel mensen over de hele wereld, zullen bekend zijn met de COVID-19-swabtest.” Een wattenstaafje wordt eerst rond de achterkant van je keel geveegd en vervolgens diep in beide neusgaten ingebracht – een vreemd en onaangenaam gevoel.

COVID-tests: achter de schermen

Het deel dat je dan niet ziet gebeuren, is in het laboratorium, waar technici het monster analyseren op RNA – het genetische materiaal van SARS-CoV-2 – het COVID-19-veroorzakende virus.

Een cruciaal onderdeel van dit laboratoriumproces is het scheiden van het genetische materiaal (bekend als nucleïnezuur) van het andere biologische materiaal dat op het uitstrijkje wordt verzameld. Dit wordt bereikt met behulp van magnetische silica nanodeeltjes.

Deze nanodeeltjes zijn doorgaans slechts een paar honderd nanometer groot (een miljoenste van een millimeter) en bestaan ​​uit een kern van magnetisch materiaal gecoat in een dunne schil van silica (glas), die wordt toegevoegd aan een flacon met de swab-oplossing.

Er wordt een speciaal zout toegevoegd dat ervoor zorgt dat alle nucleïnezuren uit het wattenstaafje reversibel aan het silica-omhulsel blijven kleven.

Omdat de nanodeeltjes magnetisch zijn, kunnen de nucleïnezuren nu met een simpele magneet in het wattenstaafje worden opgevangen en gescheiden van alle andere ongewenste biomaterialen.

De gezuiverde nucleïnezuren worden vervolgens losgemaakt van de magnetische silica-nanodeeltjes en er wordt een PCR-test uitgevoerd om te controleren of er SARS-CoV-2-virus-RNA aanwezig is.

Het ontbrekende ingrediënt

Toen de pandemie toesloeg, werden er echter geen magnetische silica-nanodeeltjes geproduceerd in Australië, en aangezien er nog steeds geen lokale producenten zijn, zijn Australische fabrikanten van testkits verplicht deze uit het buitenland te betrekken.

De enorm toegenomen wereldwijde vraag naar deze deeltjes heeft de kosten opgedreven, de toeleveringsketens verstoord en de beschikbaarheid van magnetische kralen voor Australische fabrikanten van swab-testkits beperkt.

De Australische regering heeft een COVID Test Kit Task Force opgericht, die in maart 2020 de hulp inriep van ons Nanoscience Laboratory om te helpen bij het lokaal produceren van magnetische silicadeeltjes, waardoor een gegarandeerde voorraad werd opgebouwd voor ten minste 100.000 COVID-tests per week.

Maar er waren een paar problemen.

Ten eerste worden commerciële deeltjes in het buitenland geproduceerd via propriëtaire methoden die niet publiekelijk beschikbaar zijn, dus voordat we een Australische voorraad kunnen creëren, moeten we onze eigen methode bedenken om functionerende magnetische silica-nanodeeltjes te produceren.

Gelukkig hebben we bij het ARC Center of Excellence in Exciton Science gewerkt aan het maken van magnetische nanodeeltjes voor andere toepassingen, waaronder quantum dot-synthese, zodat we snel methoden konden ontwerpen en testen om een ​​geschikt product te maken.

Lokale productie tijdens een pandemie

Het tweede probleem was dat het 2020 was en we in Melbourne waren. Door de strenge bewegingsbeperkingen die het grootste deel van het jaar van kracht waren, konden bijna alle medewerkers en studenten de campus van de universiteit in Parkville niet bezoeken.

Ons kleine team van onderzoekers kreeg echter toestemming om ruimte in te nemen in de grotendeels verlaten School of Chemistry om deze belangrijke uitdaging aan te gaan.

Het laatste probleem was er een van schaal.

Elke testkit vereist ongeveer vijf microgram silicadeeltjes, en dus om 100.000 tests per week te doorstaan, was ons oorspronkelijke doel om 500 gram magnetische nanodeeltjes per week te maken.

We hadden de chemische knowhow, maar voor een onderzoekslaboratorium dat gewend is om kleine reacties te maken en minder dan een gram product te produceren, hadden we niet de beschikking over alle benodigde apparatuur.

Om een ​​idee te krijgen van hoe groot dit probleem was, stel je voor dat je wordt verteld om genoeg pastasaus te maken voor duizend mensen – in je eigen keuken.

Om deze enorme schaalvergroting te bereiken, hebben we samenwerkingen opgezet met verschillende Australische bedrijven, waaronder Scaled Organics in Melbourne, die hun proefreactoren ter beschikking hebben gesteld om de hoeveelheden materiaal te produceren die we nodig hadden.

Genetic Signatures, de in Sydney gevestigde fabrikant van COVID-testkits, kon vervolgens verifiëren of elke batch nanodeeltjes geschikt was voor het beoogde doel in een echte COVID-testsituatie.

We hadden ook de steun van het Monash Center for Electron Microscopy en de Australian Synchrotron voor het werk om commerciële monsters van de nanodeeltjes af te beelden en deze te vergelijken met onze testbatches.

Een simpel recept

De reactie moest eenvoudig en met relatief weinig stappen zijn om de kosten en andere belemmeringen voor schaalbaarheid te minimaliseren.

Gedurende maanden van lange uren en de klok rond werken, hebben we een synthese van met silica gecoate magnetische nanodeeltjes geïdentificeerd, geoptimaliseerd, geverifieerd en opgeschaald.

Maar er was een kink in de kabel.

We merkten kort na de synthese een kleurverandering van de nanodeeltjesmonsters op, wat aanleiding gaf tot speculatie dat de kristalstructuur van de nanodeeltjes in de loop van de tijd veranderde van magnetiet (Fe₃O₄) naar maghemiet (Fe₂O₃).

De Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO) erkende het belang van het project en gaf ons prioriteitstoegang tot hun veelgevraagde apparatuur, een X-Ray Absorbance Spectroscopy (XAS) bundellijn bij de Australian Synchrotron, om deze vraag op te lossen.

Het is niet eenvoudig om de twee kristalstructuren te onderscheiden, omdat ze erg op elkaar lijken, maar röntgenabsorptiespectroscopie kan ze gemakkelijk van elkaar onderscheiden. Uit de resultaten hebben we vastgesteld dat een van de zouten die we aan het reactiemengsel toevoegden, de vorming van de ene kristalstructuur veroorzaakte en niet de andere (deze resultaten zullen op een later tijdstip worden gepubliceerd).

We waren toen in staat om de optimale zoutconcentratie te vinden om magnetiet te produceren, wat de voorkeur heeft omdat het meer magnetisch is dan maghemiet, en beter functioneert in de afgewerkte nanodeeltjes.

Op weg naar een test van Australische makelij

Om een ​​product te ontwikkelen dat gelijkwaardige commerciële aanbiedingen in het buitenland kan evenaren, hebben we meer dan 500 experimenten uitgevoerd met kleine batches om elk onderdeel van de productie te optimaliseren, inclusief de dikte van de silicacoating, de reagensverhoudingen en -concentraties, en zelfs verschillende zuiveringsmethoden.

Onder voorbehoud van verificatie in klinische tests, kunnen onze nanodeeltjes binnenkort worden gebruikt om magnetische silica-nanodeeltjes te leveren voor een in Australië gemaakte COVID-19-testkit – terwijl we de uitdagingen van deze ongekende wereldwijde noodsituatie op gezondheidsgebied blijven aangaan.