Weg met vissen: zeer nauwkeurige test voor veelvoorkomende luchtwegvirussen gebruikt DNA als ‘aas’

Cambridge-onderzoekers hebben een nieuwe test ontwikkeld die op meerdere respiratoire virussen tegelijk “vist” met behulp van enkele DNA-strengen als aas en zeer nauwkeurige resultaten geeft in minder dan een uur.

De test maakt gebruik van DNA “nanobait” om tegelijkertijd de meest voorkomende respiratoire virussen, waaronder influenza, rhinovirus, RSV en COVID-19, te detecteren. Ter vergelijking: PCR-tests (polymerasekettingreactie), hoewel zeer specifiek en zeer nauwkeurig, kunnen slechts op één virus tegelijk testen en het duurt enkele uren voordat er een resultaat wordt geretourneerd.

Hoewel veel gewone respiratoire virussen vergelijkbare symptomen hebben, vereisen ze verschillende behandelingen. Door op meerdere virussen tegelijk te testen, zeggen de onderzoekers dat hun test ervoor zal zorgen dat patiënten snel de juiste behandeling krijgen en ook het ongerechtvaardigde gebruik van antibiotica kan verminderen.

Bovendien kunnen de tests in elke omgeving worden gebruikt en kunnen ze eenvoudig worden aangepast om verschillende bacteriën en virussen te detecteren, waaronder mogelijke nieuwe varianten van SARS-CoV-2, het virus dat COVID-19 veroorzaakt. De resultaten worden gerapporteerd in het journaal Natuur Nanotechnologie.

Het winterseizoen van verkoudheid, griep en RSV is aangebroken op het noordelijk halfrond en gezondheidswerkers moeten snel beslissingen nemen over de behandeling wanneer patiënten in hun ziekenhuis of kliniek verschijnen.

“Veel respiratoire virussen hebben vergelijkbare symptomen, maar vereisen verschillende behandelingen: we wilden zien of we parallel naar meerdere virussen konden zoeken”, zegt Filip Bošković van Cambridge’s Cavendish Laboratory, de eerste auteur van het artikel. “Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie zijn respiratoire virussen de doodsoorzaak voor 20% van de kinderen die sterven onder de vijf jaar. Als je een test zou kunnen bedenken die snel en nauwkeurig meerdere virussen kan detecteren, zou dat een enorme verschil.”

Voor Bošković is het onderzoek ook persoonlijk: als jong kind lag hij bijna een maand in het ziekenhuis met hoge koorts. Doktoren konden de oorzaak van zijn ziekte niet achterhalen totdat er een PCR-machine beschikbaar kwam.

“Goede diagnostiek is de sleutel tot goede behandelingen”, zegt Bošković, een Ph.D. student aan St John’s College, Cambridge. “Mensen verschijnen in het ziekenhuis die behandeling nodig hebben en ze kunnen meerdere verschillende virussen bij zich hebben, maar tenzij je onderscheid kunt maken tussen verschillende virussen, bestaat het risico dat patiënten een verkeerde behandeling krijgen.”

PCR-testen zijn krachtig, gevoelig en nauwkeurig, maar ze vereisen dat een stukje genoom miljoenen keren wordt gekopieerd, wat enkele uren duurt.

De Cambridge-onderzoekers wilden een test ontwikkelen die RNA gebruikt om virussen direct te detecteren, zonder het genoom te hoeven kopiëren, maar met voldoende gevoeligheid om bruikbaar te zijn in de gezondheidszorg.

“Voor patiënten weten we dat een snelle diagnose hun resultaat verbetert, dus het snel kunnen detecteren van het infectieuze agens kan hun leven redden”, zegt co-auteur professor Stephen Baker van het Cambridge Institute of Therapeutic Immunology and Infectious Disease. “Voor gezondheidswerkers kan zo’n test overal worden gebruikt, in het VK of in een omgeving met een laag of gemiddeld inkomen, waardoor patiënten snel de juiste behandeling krijgen en het gebruik van ongerechtvaardigde antibiotica wordt verminderd.”

De onderzoekers baseerden hun test op structuren opgebouwd uit dubbele DNA-strengen met overhangende enkele strengen. Deze enkele strengen zijn het “aas”: ze zijn geprogrammeerd om te “vissen” naar specifieke regio’s in het RNA van doelvirussen. De nanobaits worden vervolgens door zeer kleine gaatjes gevoerd die nanoporiën worden genoemd. Nanopore-detectie is als een ticker-tape-lezer die moleculaire structuren in milliseconden omzet in digitale informatie. De structuur van elk nanobait onthult het doelvirus of zijn variant.

De onderzoekers toonden aan dat de test eenvoudig kan worden geherprogrammeerd om onderscheid te maken tussen virale varianten, inclusief varianten van het virus dat COVID-19 veroorzaakt. De aanpak maakt bijna 100% specificiteit mogelijk dankzij de precisie van de programmeerbare nanobait-structuren.

“Dit werk maakt op elegante wijze gebruik van nieuwe technologie om meerdere huidige beperkingen in één keer op te lossen”, aldus Baker. “Een van de dingen waar we het meest mee worstelen, is de snelle en nauwkeurige identificatie van de organismen die de infectie veroorzaken. Deze technologie is een potentiële doorbraak: een snel, goedkoop diagnostisch platform dat eenvoudig is en overal op elk monster kan worden gebruikt. ”

Een patent op de technologie is aangevraagd door Cambridge Enterprise, de commercialiseringsafdeling van de universiteit, en co-auteur professor Ulrich Keyser heeft mede-oprichter van een bedrijf, Cambridge Nucleomics, gericht op RNA-detectie met precisie van één molecuul.

“Nanobait is gebaseerd op DNA-nanotechnologie en zal in de toekomst nog veel meer opwindende toepassingen mogelijk maken”, zegt Keyser, die is gevestigd in het Cavendish Laboratory. “Voor commerciële toepassingen en uitrol naar het publiek zullen we ons nanopore-platform moeten omzetten in een handapparaat.”

“Door onderzoekers uit de geneeskunde, natuurkunde, techniek en scheikunde samen te brengen, konden we een echt zinvolle oplossing vinden voor een moeilijk probleem”, zegt Bošković, die in 2022 een Ph.D. prijs van Cambridge Society for Applied Research voor dit werk.