Fremstilling af nanopartikelingrediensen til australsk fremstillede COVID-tests

Mens Australiens nationale COVID-19-vaccine-udrulning fortsætter, og truslen om nye og eksisterende globale varianter truer, hurtig test er fortsat afgørende for identifikation, kontaktsporing og indeslutning af infektion.

Vores forskerhold, med støtte fra vores australske samarbejdspartnere, er tæt på at afslutte en årelang søgen efter at udvikle kommercielle mængder af lokalt fremskaffede magnetiske nanopartikler - en nøgle, der mangler i et fuldt australsk fremstillet COVID-19 testkit.

Mens antistoftest (brugt på de fleste australske testcentre) kan vise, hvilke mennesker der allerede er blevet eksponeret og har udviklet et immunrespons, polymerase kædereaktion (PCR) test er guldstandarden til at afgøre, om en person i øjeblikket er inficeret.

Mange australiere, og faktisk mange mennesker verden over, vil være bekendt med COVID-19 'svab-testen." En bomuldsspids tørres først om bagsiden af ​​din hals og føres derefter dybt ind i begge næsebor - en mærkelig og ubehagelig fornemmelse.

COVID-tests:bag kulisserne

Den del, du ikke ser derefter sker, er i laboratoriet, hvor teknikere analyserer prøven for RNA - det genetiske materiale af SARS-CoV-2 - den COVID-19-forårsagerende virus.

En kritisk del af denne laboratorieproces er at adskille det genetiske materiale (kendt som nukleinsyre) fra det andet biologiske materiale indsamlet på podepinden. Dette opnås ved hjælp af magnetiske silica nanopartikler.

Disse nanopartikler er typisk kun et par hundrede nanometer store (en milliontedel af en millimeter) og består af en kerne af magnetisk materiale belagt i en tynd skal af silica (glas), som tilsættes til et hætteglas indeholdende podepinden.

Der tilsættes et specielt salt, som får alle nukleinsyrerne fra podepinden til reversibelt at klæbe til silicaskallen.

Fordi nanopartiklerne er magnetiske, nukleinsyrerne kan nu opsamles og adskilles fra alle andre uønskede biomaterialer i podepinden ved hjælp af en simpel magnet.

De rensede nukleinsyrer er derefter ubundet fra de magnetiske silica nanopartikler, og en PCR-test udføres for at kontrollere, om SARS-CoV-2-virus-RNA er til stede.

Den manglende ingrediens

Da pandemien ramte, imidlertid, magnetiske silica nanopartikler blev ikke produceret i Australien, og da der stadig ikke er nogen lokale producenter, Australske testkitproducenter er forpligtet til at hente dem fra udlandet.

Den stærkt øgede globale efterspørgsel efter disse partikler har drevet omkostningerne op, forstyrre forsyningskæder, og begrænsning af tilgængeligheden af ​​magnetiske perler til australske producenter af podningstestsæt.

Den australske regering etablerede en COVID Test Kit Task Force, som i marts 2020, anmodede om hjælp fra vores Nanoscience Laboratory til at hjælpe med at producere magnetiske silicapartikler lokalt, opbygning af en garanteret forsyning til mindst 100, 000 COVID-tests om ugen.

Men der var et par problemer.

For det første, kommercielle partikler produceres i udlandet via proprietære metoder, der ikke er offentligt tilgængelige, så før vi kunne skabe en australsk forsyning, vi skulle finde på vores egen metode til at producere fungerende magnetiske silicananopartikler.

Heldigvis, ved ARC Center of Excellence in Exciton Science, vi har arbejdet på at lave magnetiske nanopartikler til andre applikationer, herunder kvantepunktsyntese, så vi var i stand til hurtigt at designe og teste metoder til at lave et passende produkt.

Lokal produktion under en pandemi

Det andet problem var, at det var 2020, og vi var i Melbourne. Med de strenge restriktioner for bevægelse på plads det meste af året, næsten alle ansatte og studerende var ude af stand til at deltage på universitetets Parkville campus.

Imidlertid, vores lille team af forskere fik tilladelse til at indtage plads i den stort set øde Kemiskole for at imødegå denne vigtige udfordring.

Det sidste problem var et af skalaen.

Hvert testsæt kræver cirka fem mikrogram silicapartikler, og så for at møde 100, 000 tests om ugen, vores oprindelige mål var at lave 500 gram magnetiske nanopartikler om ugen.

Vi havde den kemiske knowhow, men for et forskningslaboratorium, der er vant til at lave små reaktioner og producere mindre end et gram produkt, vi havde ikke adgang til alt det nødvendige udstyr.

For at få en idé om, hvor stort dette problem var, forestil dig, at du får besked på at lave nok pastasauce til tusind mennesker – i dit hjemmekøkken.

For at opnå denne massive skalaforøgelse, vi etablerede samarbejder med flere australske virksomheder, herunder Scaled Organics i Melbourne, som stillede deres pilotreaktorer til rådighed for at producere de mængder materiale, vi havde brug for.

Den Sydney-baserede producent af COVID-testsæt, Genetic Signatures, var derefter i stand til at verificere, om hver batch af nanopartikler var egnet til formålet i en rigtig COVID-testsituation.

Vi havde også støtte fra Monash Center for Electron Microscopy og Australian Synchrotron til arbejdet med at afbilde kommercielle prøver af nanopartiklerne og sammenligne dem med vores testbatcher.

En simpel opskrift

Reaktionen skulle være enkel og med relativt få trin, for at minimere omkostninger og andre barrierer for skalerbarhed.

Over måneder med lange timer og arbejde døgnet rundt, vi identificerede, optimeret, verificeret og opskaleret en syntese af silica-coatede magnetiske nanopartikler.

Men der var et problem.

Vi bemærkede en ændring i farven på nanopartikelprøverne kort efter syntese, gav anledning til spekulationer om, at nanopartiklernes krystalstruktur ændrede sig fra magnetit (Fe₃O4) til maghemit (Fe₂O₃) over tid.

I erkendelse af vigtigheden af ​​projektet, Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO) gav os prioriteret adgang til deres efterspurgte udstyr, en X-Ray Absorbance Spectroscopy (XAS) strålelinje ved den australske synkrotron, at løse dette spørgsmål.

Det er ikke let at skelne mellem de to krystalstrukturer, da de er meget ens, men røntgenabsorptionsspektroskopi kan let skelne dem fra hinanden. Ud fra resultaterne, vi fandt ud af, at et af de salte, som vi tilføjede til reaktionsblandingen, drev dannelsen af ​​den ene krystalstruktur og ikke den anden (disse resultater vil blive offentliggjort på et senere tidspunkt).

Vi var derefter i stand til at finde den optimale saltkoncentration til at producere magnetit, hvilket er at foretrække, da det er mere magnetisk end maghemit, og fungerer bedre inden for de færdige nanopartikler.

På vej mod en australsk lavet test

At udvikle et produkt, der er i stand til at matche tilsvarende oversøiske kommercielle tilbud, vi har kørt over 500 eksperimenter med små batches for at optimere hvert element i produktionen, inklusive tykkelsen af ​​silicabelægningen, reagensforhold og koncentrationer, og endda forskellige oprensningsmetoder.

Med forbehold for verifikation i kliniske tests, vores nanopartikler kan snart bruges til at levere magnetiske silica-nanopartikler til et australsk fremstillet COVID-19-testkit – mens vi fortsætter med at tage udfordringerne op i denne hidtil usete globale sundhedsnødsituation.