Carbon nanorør-baseret sensor kan detektere SARS-CoV-2-proteiner

Ved hjælp af specialiserede kulstofnanorør har MIT-ingeniører designet en ny sensor, der kan detektere SARS-CoV-2 uden antistoffer, hvilket giver et resultat inden for få minutter. Deres nye sensor er baseret på teknologi, der hurtigt kan generere hurtig og præcis diagnostik, ikke kun for COVID-19, men for fremtidige pandemier, siger forskerne.

"En hurtig test betyder, at du kan åbne op for rejser meget tidligere i en fremtidig pandemi. Du kan screene folk, der stiger af et fly og afgøre, om de skal i karantæne eller ej. Du kan på samme måde screene folk, der kommer ind på deres arbejdsplads og så videre," siger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik ved MIT og seniorforfatter af undersøgelsen. "Vi har endnu ikke teknologi, der kan udvikle og implementere sådanne sensorer hurtigt nok til at forhindre økonomisk tab."

Diagnostikken er baseret på kulstof nanorør-sensorteknologi, som Stranos laboratorium tidligere har udviklet. Da forskerne begyndte at arbejde på en COVID-19-sensor, tog det dem kun 10 dage at identificere et modificeret kulstof-nanorør, der selektivt kunne detektere de virale proteiner, de ledte efter, og derefter teste det og inkorporere det i en fungerende prototype. Denne tilgang eliminerer også behovet for antistoffer eller andre reagenser, der er tidskrævende at generere, oprense og gøre bredt tilgængelige.

MIT postdoc Sooyeon Cho og kandidatstuderende Xiaojia Jin er hovedforfatterne af papiret, som udkommer i dag i Analytical Chemistry . Andre forfattere omfatter MIT kandidatstuderende Sungyun Yang og Jianqiao Cui og postdoc Xun Gong.

Molekylær genkendelse

For flere år siden udviklede Stranos laboratorium en ny tilgang til at designe sensorer til en række forskellige molekyler. Deres teknik er afhængig af kulstofnanorør - hule, nanometertykke cylindre lavet af kulstof, der naturligt fluorescerer, når de udsættes for laserlys. De har vist, at ved at pakke sådanne rør ind i forskellige polymerer, kan de skabe sensorer, der reagerer på specifikke målmolekyler ved kemisk at genkende dem.

Deres tilgang, kendt som Corona Phase Molecular Recognition (CoPhMoRe), udnytter et fænomen, der opstår, når visse typer polymerer binder til en nanopartikel. Disse molekyler, der er kendt som amfifile polymerer, har hydrofobe områder, der låser sig på rørene som ankre og hydrofile områder, der danner en række løkker, der strækker sig væk fra rørene.

Disse løkker danner et lag kaldet en korona, der omgiver nanorøret. Afhængigt af arrangementet af sløjferne kan forskellige typer målmolekyler kile sig ind i mellemrummene mellem løkkerne, og denne binding af målet ændrer intensiteten eller spidsbølgelængden af ​​fluorescens produceret af kulstofnanorøret.

Tidligere på året modtog Strano og InnoTech Precision Medicine, en Boston-baseret diagnostikudvikler, et tilskud fra National Institutes of Health til at skabe en CoPhMoRe-sensor til SARS-CoV-2-proteiner. Forskere i Stranos laboratorium havde allerede udviklet strategier, der giver dem mulighed for at forudsige, hvilke amfifile polymerer, der vil interagere bedst med et bestemt målmolekyle, så de var i stand til hurtigt at generere et sæt af 11 stærke kandidater til SARS-CoV-2.

Inden for omkring 10 dage efter projektets start havde forskerne identificeret nøjagtige sensorer for både nukleocapsidet og spidsproteinet fra SARS-CoV-2-viruset. I løbet af den tid var de også i stand til at inkorporere sensorerne i en prototypeenhed med en fiberoptisk spids, der kan detektere fluorescensændringer af biofluidprøven i realtid. Dette eliminerer behovet for at sende prøven til et laboratorium, som er påkrævet til den gyldne PCR-diagnostiske test for COVID-19.

Denne enhed producerer et resultat inden for cirka fem minutter og kan detektere koncentrationer så lave som 2,4 picogram viralt protein pr. milliliter prøve. I nyere eksperimenter udført efter at dette papir blev indsendt, har forskerne opnået en detektionsgrænse, der er lavere end de hurtige test, der nu er kommercielt tilgængelige.

Forskerne viste også, at enheden kunne detektere SARS-CoV-2-nukleocapsidproteinet (men ikke spikeproteinet), når det blev opløst i spyt. Det er normalt vanskeligt at opdage virale proteiner i spyt, fordi spyt indeholder klæbrige kulhydrater og fordøjelsesenzymmolekyler, der interfererer med proteindetektion, hvilket er grunden til, at de fleste COVID-19-diagnostik kræver næsepodninger.

"Denne sensor viser den højeste grænse for detektion, responstid og spytkompatibilitet selv uden antistof- og receptordesign," siger Cho. "Det er et unikt træk ved denne type molekylær genkendelsesskema, at hurtig design og test er mulig, uhindret af udviklingstiden og forsyningskædekravene for et konventionelt antistof eller enzymatisk receptor."

Hurtigt svar

Den hastighed, hvormed forskerne var i stand til at udvikle en fungerende prototype, tyder på, at denne tilgang kan vise sig nyttig til at udvikle diagnostik hurtigere under fremtidige pandemier, siger Strano.

"Vi er i stand til at gå fra at nogen giver os virale markører til en fungerende fiberoptisk sensor på ekstremt kort tid," siger han.

Sensorer, der er afhængige af antistoffer til at detektere virale proteiner, som danner grundlaget for mange af de hurtige COVID-19-test, der nu er tilgængelige, tager meget længere tid at udvikle, fordi processen med at designe det rigtige proteinantistof er så tidskrævende.

Forskerne har ansøgt om patent på teknologien i håb om, at den kan kommercialiseres til brug som en COVID-19-diagnostik. Strano håber også at videreudvikle teknologien, så den hurtigt kan implementeres som reaktion på fremtidige pandemier. + Udforsk yderligere

Forskning kan føre til nanosensorer, der genkender fibrinogen, insulin eller andre biomarkører