Ny, kulstof-nanorør-værktøj til ultrafølsom virusdetektion og identifikation

Et nyt værktøj, der bruger en skovlignende række af vertikalt justerede kulstofnanorør, der kan finjusteres til selektivt at fange vira efter deres størrelse, kan øge detektionstærsklen for vira og fremskynde processen med at identificere nye vira. Forskningen, af et tværfagligt team af forskere ved Penn State, udkommer den 7. oktober, 2016-udgaven af ​​tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

"Opdagelse af vira tidligt i en infektion, før symptomer opstår, eller fra feltprøver, er vanskelig, fordi koncentrationen af ​​vira kan være meget lav - ofte under tærsklen for de nuværende detektionsmetoder, "sagde Mauricio Terrones, professor i fysik, kemi, og materialevidenskab og teknik ved Penn State, og en af ​​de tilsvarende forfattere til forskningen. "Tidlig påvisning er vigtig, fordi en virus kan begynde at sprede sig, før vi har evnen til at opdage den. Den enhed, vi har udviklet, giver os mulighed for selektivt at fange og koncentrere vira efter deres størrelse - mindre end menneskelige celler og bakterier, men større end de fleste proteiner og andre makromolekyler - i utroligt fortyndede prøver. Det øger vores evne til at opdage små mængder af en virus yderligere mere end hundrede gange."

Forskergruppen udviklede og testede en lille, bærbar enhed, der øger følsomheden af ​​virusdetektion ved at fange og koncentrere vira i en række kulstofnanorør. Fortyndede prøver indsamlet fra patienter eller miljøet føres gennem et filter for at fjerne store partikler såsom bakterier og menneskeceller, derefter gennem rækken af ​​kulstof nanorør i enheden. Virusser bliver fanget og opbygges til brugbare koncentrationer i skoven af ​​nanorør, mens andre mindre partikler passerer igennem og elimineres. Den koncentrerede virus, der er fanget i enheden, kan derefter gennemgå et panel af tests for at identificere den, herunder molekylær diagnose ved polymerasekædereaktion (PCR), immunologiske metoder, virus isolation, og genom -sekventering.

"Fordi vores enhed isolerer og koncentrerer vira rent efter størrelse, vi kan fange vira, som vi ikke ved noget om biologisk - vi har ikke brug for noget antistof eller anden molekylær mærkning, " sagde Terrones. "Når vi har fanget og koncentreret virussen, vi kan derefter bruge andre teknikker såsom hel-genom-sekventering til at karakterisere det."

"De fleste dødelige virale udbrud i de sidste to årtier var forårsaget af nyligt opståede vira. Denne størrelsesbaserede virusberigelsesteknologi kan være særlig effektiv til identifikation af nye vira og opdagelse af nye vira, der ikke har antistoffer og sekvensinformation tilgængelig, " sagde Si-Yang Zheng, lektor i biomedicinsk teknik ved Penn State, den anden tilsvarende forfatter på papiret. "Ikke kun beriger vores nye teknologi vira med mindst hundrede gange, men det fjerner også værts- og miljøforureninger, og muliggør direkte virusidentifikation ved næste generations sekventering fra feltindsamlede prøver uden viruskultur."

Vira – såsom influenza, HIV/AIDS, Ebola, og Zika - kan forårsage pludselige, uforudsigelige udbrud, der fører til alvorlige folkesundhedskriser. De nuværende tilgængelige teknikker til at isolere og identificere de vira, der forårsager disse udbrud, er langsomme, dyrt, og bruge udstyr og reagenser, der kan være dyre, omfangsrig, og kræver specialiseret opbevaring. Derudover mange nylige udbrud er blevet forårsaget af nyligt opståede vira, for hvilke der ikke er etablerede måder til selektivt at isolere dem til identifikation og karakterisering.

"Vi udviklede teknologien til at dyrke en skov af nanorør, og vi kan kontrollere afstanden mellem stammerne, " sagde Zheng. "Interrørafstanden kan variere fra omkring 17 nanometer til over 300 nanometer for selektivt at fange vira. De unikke egenskaber ved kulstof-nanorørskoven tillader os at integrere den i en robust, skalerbar, og bærbar mikroenhed, der kan tilpasses til brug i marken uden behov for omfangsrige instrumenter og specialiseret opbevaring af reagenser."

Forskerne validerede deres nyudviklede enheds evne til at fange vira fra fortyndede prøver ved hjælp af kendte koncentrationer af tidligere identificerede vira såvel som feltprøver af nye og ukendte vira. "Vi udviklede en bærbar platform til at berige og isolere vira baseret på deres fysiske størrelser, "sagde Yin-Ting Yeh, en postdoc-forsker ved Penn State og første forfatter af papiret. "Denne indstillelige størrelsesbaserede tilgang giver hurtig virusberigelse direkte fra feltprøver uden brug af antistoffer. Enheden muliggør tidlig påvisning af nye sygdomme og muligvis muliggør udvikling af vaccine meget hurtigere i et udbrud."