Lab-on-a-chip test har potentiale til at opdage COVID-19 immunrespons hurtigere end nuværende antistoftest

En ny antistoftest, der udvikles af et hold, der omfatter to SMU-forskere, har potentialet til at opdage tilstedeværelsen af ​​antistoffer genereret som reaktion på COVID-19 hurtigere og med mere nøjagtighed end nuværende antistoftest.

Antistoftests er nøglen til at hjælpe med at bestemme, hvor mange coronavirus-tilfælde, der er gået uopdaget, og om mennesker, der har haft virussen, nu kan være immune - målinger, der kan hjælpe sundhedsvæsenet med at håndtere COVID-19-pandemien og planlægge fremtiden. Men konventionelle immunosensor-antistoftest har en tendens til at være langsomme til at vise resultater og ofte unøjagtige.

Forskere vurderer, at laboratorie-på-en-chip-testen kan opdage immunresponser på coronavirus på to til tre minutter, med kun en dråbe blod. Materialerne, der bruges til at lave testen, er billige, hvilket skulle resultere i lavpris masseproduktion.

Ali Beskok og J.-C. Chiao er de førende forskere bag lab-on-a-chip testen.

Beskok er The Brown Foundation, Inc. Professor i teknik ved SMU's Lyle School of Engineering. Chiao er The Mary og Richard Templeton Centennial Chair og professor i Lyles Department of Electrical and Computing Engineering. Sammen, de har mere end 50 års kombineret ekspertise inden for mikrofluidikteknologi og bioteknologi.

Eva Csaky, administrerende direktør for SMU's Hunter and Stephanie Hunt Institute for Engineering &Humanity; Bob Hendler, Chief Medical Officer i Texas Hospital Association; og Quan-Zhen Li, Direktør for UTSW Genomics &Microarray Core Facility, var også konsulenter på projektet.

For at fremskynde udviklingen af ​​laboratorie-på-en-chip-enheden til potentielle kliniske anvendelser, holdet søger i øjeblikket forskningsmidler.

Hvordan det virker

Lab-on-a-chip-testen vil lede efter tegn på, at en persons immunsystem på et tidspunkt har reageret på, at coronavirus er til stede i deres krop. Specifikt, det vil opdage humant IgG, IgM, og IgA-antistoffer, der produceres, når nogen er eller har været inficeret med virussen.

Testen udføres ved at påføre en dråbe blod på en mikrofluidisk chip, der bruges til at analysere små mængder væske. Et filter indlejret i mikrochippen ekstraherer plasma fra blodprøven. Chippen placeres derefter i et elektronisk instrument, der ved hjælp af elektriske målinger afslører, om der er specifikke antistoffer til stede i plasmaet.

"Vores enhed indeholder meget følsomme elektroder, der specifikt kan fange disse målrettede antistoffer. Når først fanget, et signal vil blive genereret til den tilsluttede elektronik og sende information til brugerens smartphone, " forklarede Chiao.

Chippen er 2 cm i diameter, og enheden er enkel nok til, at de uden medicinsk uddannelse burde være i stand til at udføre testen, Beskok bemærkede.

Hvordan ved disse elektroder - ledere, som elektriske strømme kan bevæge sig gennem - at de har fundet et målrettet antistof?

Antistof-antigenbinding er nøglen

Et antigen er et protein, der provokerer kroppens immunsystem til at angribe vira, bakterie, eller andre skadelige ubudne gæster på kroppen. Antistoffer er de proteiner, der faktisk gør arbejdet med at eliminere den ubudne gæst ved at binde sig til antigener.

"Vi vil bruge COVID-19 antigener såsom Spike proteiner (S1 og S2), der kan findes på overfladen af ​​virussen. Disse stikker ud fra virusmembranen, og antistofferne binder sig til disse, " sagde Beskok. "Disse antigenproteiner dækker elektrodeoverfladerne som en klæbrig pude, og kun de specifikt matchede antistoffer vil binde sig til disse."

Beskok sagde, at den samme teknologi potentielt kan bruges til at opdage andre sygdomme, der har kendt antistof-antigenbinding.

"Potentialerne er ubegrænsede, " sagde Beskok.

SMU (Southern Methodist University) har ansøgt om et foreløbigt patent på teknologien bag testen, som kaldes Multiplexed Assay for the Immune Response to COVID-19 (MAIRC).

Beskok og Anil Koklu, der fik sin ph.d. i maskinteknik på SMU, kom først med ideen om at bruge en "Lab on the Chip"-enhed til at opdage malaria og tuberkulose i 2018.

De skabte en tidlig prototype af denne enhed, ved hjælp af gitterlignende nanopillar strukturerede elektroder skabt ved University of Texas i San Antonio. Resultater skitseret i journalen Analytisk kemi viste, at den tidlige enhed nøjagtigt detekterede IgG-antistoffer på 60 sekunder ved hjælp af en lille prøve (kun en ng/ml) af laboratoriekøbte antigener og antistoffer.

Beskok og Chiao skiftede deres fokus til COVID-19 antistofdetektion, da den globale pandemi begyndte. De og to SMU Ph.D. studerende har siden foretaget ændringer af enheden. For eksempel, de har lavet ændringer i det elektroniske udstyr, der bruges til at læse chippen, så testen kan udføres hvor som helst via en smartphone.

De har også tilføjet en ekstra detektionsmetode til at måle, hvor meget af hver type antistof - IgG, IgM, eller IgA - findes i en prøve. Dette giver læger mulighed for bedre at spore en persons helbredelse til COVID-19, sagde Chiao. På grund af det ekstra detektionstrin, Beskok vurderer, at det vil tage to til tre minutter for en person, der bruger laboratorie-på-en-chip-test til COVID-detektion for at få resultater på deres smartphone.

Det næste trin i forskningen vil være at teste enhedens følsomhed og specificitet ved hjælp af laboratoriekøbte humane plasmaprøver tilsat laboratoriekøbte antistoffer og antistoffer. Beskok og Chiao vil derefter teste enheden på plasma fra faktiske COVID-patienter, før den bliver gjort tilgængelig for offentligheden.

Guldstandarden for antistoftestning er den enzymbundne immunosorbentanalyse, eller ELISA. Disse test kræver, at en person går ind i et laboratorium for at få taget deres blod, og det tager typisk to dage at få resultater tilbage.

"Der er nogle andre teknikker til at opdage antistoffer hurtigt uden at bruge dyrt laboratorieudstyr, men de lider af følsomhed, nøjagtighed, og konsistensproblemer, " sagde Chiao.

Præcisionen og hastigheden af ​​laboratoriet på en chip kan tilskrives, delvis, til flere innovationer. En af dem er brugen af ​​ACET-strømme (ACET) for at bringe antistoffer i blodplasmaet tættere på sensoroverflader i chippen, så de kan opdages.

"En analogi med ACET er dette:tænk på at bruge en blæser til at tvinge luften til at passere et filter. Filteret kan fange mere støv og partikler i luften på denne måde, " sagde Beskok. "På samme måde, ACET gør det muligt for antistofferne i blodplasmaet at blive fanget mere effektivt og detekteret af vores enhed."

Beskok og Chiao anslår, at omkostningerne ved det elektroniske instrument til at læse chippen vil være omkring $15 til $20. Prisen for engangspatronen, hvor en dråbe blod ville gå, ville sandsynligvis være mindre end $1.

"Vores ultimative mål er at skabe kvantificerbare, nøjagtig, hurtig, og billige diagnostiske metoder baseret på påvisning af humant IgG, IgM, og IgA-antistoffer. Dette findes ikke pt. og det ville have en dyb og betydelig indvirkning på verden, i betragtning af den ødelæggende effekt denne coronavirus-pandemi har haft, " sagde Chiao.