Ny, bedre hurtigtest for coronavirus

Forskere ved Paul Scherrer Institute PSI og University of Basel har udviklet en hurtig test for COVID-19. Dets nye funktionelle princip lover pålidelige og kvantificerbare resultater vedrørende en patients COVID-19 sygdom og dens forløb – såvel som beviser vedrørende andre sygdomme og COVID-varianter, der kan være til stede. Før det kan komme i udbredt brug, skal det dog stadig gennemgå yderligere test og optimering. Forskerne rapporterer om deres udvikling i tidsskriftet ACS Applied Nanomaterials.

En væsentlig mangel ved hurtige antigentests – som påvist af en nylig undersøgelse foretaget af en forskergruppe ledet af Heinrich Scheiblauer fra det tyske Paul Ehrlich Institut – er deres manglende pålidelighed. Ud af de 122 testsæt fra forskellige producenter, der blev testet til undersøgelsen, mislykkedes en femtedel og opfyldte ikke engang minimumskravet om at identificere 75 procent af testpersonerne med en høj viral belastning som værende coronavirus-positive. En anden ulempe:Testene siger kun, om forsøgspersonen har infektionen eller ej. De giver ingen indsigt i infektionsforløbet eller testpersonernes immunreaktion.

Nu lover en ny test udviklet på PSI - som i modsætning til antigentests ikke direkte detekterer komponenter af virussen, men snarere de antistoffer, immunsystemet producerer som reaktion på infektionen - at bringe væsentligt mere forudsigelig kraft til hurtig test. Det er lige så billigt, hurtigt og nemt at bruge, og det kan også bruges til samtidig at identificere en række patogener, såsom dem, der er ansvarlige for influenza. "Dermed giver det også flere data end tidligere hurtige antistoftest, der bruges til at afgøre, om nogen allerede har haft en coronavirusinfektion," siger Yasin Ekinci, leder af Laboratoriet for X-ray Nanoscience and Technologies hos PSI, som var ansvarlig for projektet med at udvikle den nye test.

Testens centrale byggesten er en lille rektangulær plade af almindeligt plexiglas, der ligner et objektglas. Den består af et nederste lag, som er en millimeter tykt, og et øverste lag med en tykkelse på 0,2 millimeter. Forskerne mønstrede et relief i den nederste del ved hjælp af elektronstrålelitografi - en ekstremt præcis proces til fræsning af faste materialer, der f.eks. bruges til fremstilling af computerchips. Når først masterskabelonen var blevet fremstillet på denne måde, kombinerede forskerne dette med såkaldt nanoimprint-litografi, som fremskynder fremstillingsprocessen betydeligt og reducerer omkostningerne.

Multifunktionel mikrostruktur

Med det tyndere lag plexiglas som dæksel har pladen nu tre parallelle kanaler, hvorigennem en væske kan strømme fra den ene ende til den anden. Hver af disse er 300 mikrometer (0,3 millimeter) bred og 3,4 mikrometer høj ved indløbet. Ved udløbet er kanalerne fem gange så brede, men kun en mikrometer høje. Langs en strækning derimellem indsnævres kanalen til blot et par mikrometer bred, og på et tidspunkt er den kun 0,8 mikrometer høj - cirka 100 gange tyndere end menneskehår.

"Denne specielle kanalstruktur tjener flere formål på én gang," siger Thomas Mortelmans, en doktorgradskandidat ved det schweiziske nanovidenskabsinstitut ved universitetet i Basel og førsteforfatter af undersøgelsen. Mortelmans udførte sin forskning på PSI's Laboratory for X-ray Nanoscience and Technologies. For det første sikrer det en stærk kapillæreffekt, som den velkendte virkning af ledningsvævene, der transporterer vand fra rødderne til træernes kroner. Der kræves ingen pumpe. Kraften skyldes grænsefladespændingen mellem væsken og den faste overflade. Den suger nærmest vandet gennem de smalle passager. Præcis det samme sker med kanalerne i plexiglasset – bortset fra at der i stedet for vand strømmer en dråbe blod igennem det.

Det afgørende for testen er en passage, hvor kanalens højde falder fra 3,4 mikrometer til 0,8. I det, forskerne kalder indfangningsregionen, sætter partikler, der tidligere er tilføjet til blodet, sig fast på foruddefinerede steder - afhængigt af hvilke patogener, der er til stede i blodet. Til testen, forklarer Mortelmans, ville en forsøgsperson gå til en læge eller et testcenter. Der tages en lille dråbe blod med et fingerstik, som ved en blodsukkertest. En væske, hvori specielle kunstige nanopartikler er suspenderet, blandes i blodet. Deres overflade har samme struktur som de berygtede spidsproteiner fra SARS-CoV-2-virussen, som menneskelige antistoffer lægger sig til, når de bekæmper sygdommen. Derudover tilsættes små fluorescerende partikler, som binder sig til SARS-CoV-2-antistoffer hos mennesker.

Det betyder, at hvis der er antistoffer mod SarsCoV-2 i blodet, der testes, binder de fluorescerende partikler sig først til dem; sammen binder de sig så til de væsentligt større nanopartiklers viruslignende strukturer og sætter sig sammen med dem fast på de foruddefinerede steder svarende til nanopartiklernes diameter. "Det er der, hvor kanalen er præcis 2,8 mikrometer høj," siger Mortelmans. Her ophobes nanopartiklerne med de menneskelige antistoffer og deres glødende vedhæng koblet til dem. Hvis pladen placeres under et fluorescensmikroskop, er lyssignalet synligt. Jo flere antistoffer patienten har dannet, jo lysere er det; jo klarere signal, jo stærkere immunreaktion. Sådan kan COVID-19 tydeligt diagnosticeres. "Derudover kan du bruge signalstyrken til at se, om immunsystemet reagerer godt, og der kan forventes et mildt forløb - eller om det måske overreagerer, hvilket betyder, at der er risiko for komplikationer," forklarer Mortelmans.

Én hurtig test med mange muligheder

Der er ingen risiko for, at kanalen bliver blokeret af andre partikler i blodet. Selve vira er kun omkring 0,12 mikrometer store og strømmer igennem uden modstand. Kun de røde blodlegemer ved siden af ​​nanopartiklerne er større end den smalleste del af kanalen. "I begyndelsen af ​​vores udviklingsprojekt skabte de faktisk problemer," siger Mortelmans. "Men vi har optimeret kanalen, så de nu slipper igennem." Forskerne udnyttede det faktum, at cellerne er fleksible og komprimerbare:"Kapillærkraften er nu så stor, at den presser blodcellerne gennem hver indsnævring af kanalen."

Testen åbner op for endnu flere muligheder ud over at diagnosticere COVID-19. Desuden kunne nanopartikler af forskellig størrelse og med forskellige overfladestrukturer blandes ind i blodet for at muliggøre samtidig test for andre sygdomme. I undersøgelsen gjorde Mortelmans dette ved hjælp af partikler, hvis overflade svarer til influenza A-virus. I eksperimenterne lyste to pletter i indfangningsområdet op:en for COVID-19 og en for influenza.

Derudover er det muligt at identificere forskellige antistoffer, som immunsystemet producerer i forskellige stadier af sygdommen. For eksempel kunne man bruge grønne fluorescerende partikler, der kun binder sig til antistoffer, der opstår i den tidlige fase af infektionen, og røde fluorescerende partikler til antistoffer, der produceres af immunsystemet på senere stadier. "Testen kan udvides på mange måder," siger Mortelmans. "Vi kunne for eksempel teste ti forskellige sygdomme på én gang uden problemer og også bruge fire farver." Antallet af kanaler kunne selvfølgelig også øges for at teste endnu flere varianter. I princippet er den anden og tredje kanal kun der for at bekræfte resultatet af den første. De kan dog også bruges til at udføre forskellige tests. "I princippet har vi her et system, der ligner Lego, hvor man kan kombinere forskellige komponenter," siger projektleder Yasin Ekinci.

Forskerne begyndte deres arbejde med den nye test kort efter starten på coronavirus-pandemien. "Vi arbejdede på en diagnostisk test for Parkinsons på det tidspunkt," siger Ekinci. "Da pandemien tog fat, spurgte vi os selv, hvordan vi som forskningsinstitut kunne bidrage til at overvinde den." Udviklingen tog dog længere tid, fordi testen er så ny, fordi man ikke vidste noget om virussen i begyndelsen, og fordi patientprøver også var svære at få.

Til undersøgelsen blev enheden testet med 29 blodprøver - 19 af dem kom fra inficerede mennesker og 10 fra ikke-inficerede mennesker. Med undtagelse af et falsk-negativ tilfælde var testen altid korrekt. Dette blev også identificeret under opfølgningstesten. "Selvfølgelig skal vi lave mange flere tests for at komme med en solid udtalelse om pålidelighed, og der er stadig meget plads til forbedringer. Men det er meget lovende," siger Ekinci.

Derudover skulle testen blive endnu nemmere at gennemføre. "Vi arbejder på at gøre det lige så nemt at gøre med spyt i stedet for blod," rapporterer Mortelmans. "Vi ønsker også at kunne bruge et mobiltelefonkamera i stedet for et mikroskop til at læse signalerne. Moderne enheder er nu i stand til at gøre dette." En sådan test tager i øjeblikket mellem 10 og 30 minutter. Men det er også muligt at gøre det på to minutter; den er i øjeblikket ved at blive optimeret med det formål. "Vores vision er en teknologi," siger Ekinci, "med hvilken vi samtidig kan diagnosticere adskillige sygdomme og varianter af COVID og influenza pålideligt, hurtigt og billigt via mobiltelefonen. Vores nye koncept er i stand til at gøre dette til en realitet." + Udforsk yderligere

Universal COVID-test baseret på isotermisk forstærkning kan detektere alle COVID-19-varianter