Nyt diagnostisk værktøj opnår nøjagtighed af PCR-tests med hurtigere og enklere nanopore-system

I løbet af de sidste fire år har mange af os vænnet os til en vatpind i næsen for at teste for COVID-19, ved at bruge hurtige antigentest hjemme eller de mere nøjagtige klinikleverede PCR-tests med længere behandlingstid. Nu kan et nyt diagnostisk værktøj udviklet af UC Santa Cruz Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering Holger Schmidt og hans samarbejdspartnere teste for SARS-CoV-2 og Zika virus med samme eller bedre nøjagtighed som højpræcisions PCR-tests i løbet af få timer .

I en artikel i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences , Schmidt og projektteamet beskriver deres system, som kombinerer optofluidics og nanopore-teknologi for at skabe et lab-on-a-chip diagnosesystem. Holdets succes med dyremodeller gør dem håbefulde om, at denne teknologi kan være en stor innovation for fremtiden for hurtig diagnostik.

"Dette kan blive til det næste store diagnostiske system," sagde Aaron Hawkins, professor i elektro- og computerteknik ved Brigham Young University og seniorforfatter på papiret. "Du bliver syg, du går til hospitalet eller lægen, og deres tests er afhængige af denne teknologi. Der er en sti, hvor dette kunne installeres lige der [på et hospital eller en klinik], så du ville ikke skulle vente på at få din resultater."

Denne forskning er et resultat af et langvarigt samarbejde mellem Schmidt, Hawkins og professor Jean Patterson ved Texas Biomedical Research Institute.

Hurtigere og mere præcise tests

Mens PCR-test i øjeblikket er den gyldne standard for nøjagtighed for virologisk testning, kommer metoden til kort på flere måder. PCR-tests er meget komplekse og kræver kemiske reaktioner, som skal udføres af dygtige operatører, typisk på et centralt laboratorium, hvilket nogle gange tager dage at få testresultaterne tilbage. Disse komplekse reaktioner er nødvendige for amplifikation af viralt DNA eller RNA, en proces med at lave flere kopier af det genetiske materiale, der kan introducere og amplificere fejl.

PCR-tests kan også kun påvise nukleinsyrer, det materiale, der udgør DNA og RNA. Men i tilfælde af nogle sygdomme kan det være utrolig nyttigt at opdage andre biomarkører såsom proteiner.

Det nye diagnostiske værktøj løser begge disse problemer. Det kræver lidt prøveforberedelse og er fuldstændig amplifikationsfri og etiketfri, sidstnævnte betyder, at den ikke bruger lys til at identificere biomarkører. Dette skærer dramatisk ned på tiden og kompleksiteten af ​​diagnoseprocessen.

"Potentialet er enormt," sagde Patterson. "Ideen om, at du ikke behøver at forstærke for at få nøjagtige resultater, er et stort fremskridt, på niveau med hvordan PCR var et utroligt skridt fremad, da det kom ud."

Diagnostikdesign

Det nye diagnostiske system kombinerer Schmidts ekspertiseområde inden for optofluidik, som er kontrol af små mængder væsker med lysstråler, med en nanopore til at tælle enkelte nukleinsyrer for at aflæse genetisk materiale. Værktøjet er designet til at teste for Zika- og COVID-19-vira, som har været særligt medicinsk relevante i de seneste år og prioriterede områder for National Institutes of Health.

"Vi opbyggede et simpelt lab-on-a-chip-system, der kan udføre test på miniatureniveau ved hjælp af mikrofluidik, siliciumchips og nanoporedetekteringsteknologier," siger Mohammad Julker Neyen Sampad, Schmidts kandidatstuderende og avisens første forfatter. "Simpel, nem udvikling af værktøj med lav ressource var vores mål - og jeg tror, ​​vi nåede dertil."

For at køre testen blandes en prøve af biovæske i en beholder med magnetiske mikroperler. Til denne undersøgelse brugte forskerne biovæsker, herunder spyt og blod fra bavianer og silkeaber på Texas Biomedical Research Institute.

Mikroperlerne er designet med en matchende RNA-sekvens af den sygdom, som testen er designet til at påvise. For eksempel, hvis det er en COVID-19-detektionstest, vil mikroperlerne have tråde af SARS-CoV-2 RNA på sig. Hvis der er SARS-CoV-2-virus til stede i prøven, vil virusets RNA binde til perlerne. Efter en kort venteperiode trækker forskeren de magnetiske perler ned i bunden af ​​beholderen og vasker alt andet ud.

Perlerne sættes i en siliciummikrofluidikchip designet og fremstillet af Hawkins' gruppe, hvor de flyder gennem en lang, tynd kanal dækket af en ultratynd membran, hvis design Hawkins kalder et "ingeniørmirakel". Perlerne bliver fanget i en lysstråle, der skubber dem mod en væg i kanalen, som indeholder en nanopore, en lille åbning på kun 20 nanometer på tværs - til sammenligning er et menneskehår omkring 80.000-100.000 nanometer bredt.

Forskerne tilfører varme til chippen, hvilket får RNA-partiklerne til at slippe af perlerne og blive suget ind i nanoporen, som registrerer, at virus-RNA'et er til stede.

Lovende resultater

Deres forsøg viste, at testen korrekt detekterede virussen for hver prøve, som PCR-testen var i stand til at detektere, selv ved ekstremt lave koncentrationer af virussen. Der var tilfælde, hvor PCR-testen ikke var i stand til at opdage et tilfælde af en af ​​vira, mens Schmidts system gjorde det, hvilket viste, at deres system kan være mere nøjagtigt end PCR.

Samlet set er mikrofluidsystemet meget mindre og mindre komplekst end en PCR-maskine. Hvis dette koncept bringes på markedet som et produkt, kan dets kompakte størrelse nemt passe ind i en forskerlaboratorium, hvilket muliggør meget hurtigere resultater for virologisk testning, øger testtilgængeligheden og fremskynder tiden til resultater fra dage til timer.

"Hvis vi bygger et instrument ud af dette system, kunne en forsker have det i biosikkerhedsniveau-4 laboratoriet, hvor det aldrig forlader rummet, og du kan bare droppe en lille prøvevæske og køre testen om en time." sagde Schmidt. "Jeg tror, ​​det ville hjælpe med at fremskynde testen."

Testen blev kørt med seks forskellige biovæsker, inklusive spyt-, blod- og halspodninger, som kan indeholde forskellige virale mængder. Dette kan sætte forskere i stand til bedre at studere, hvordan sygdomme passerer gennem kroppen på forskellige dyr.

Mens testen på nuværende tidspunkt blev udviklet til at opdage SARS-CoV-2- og Zika-vira, kunne forskere foretage justeringer for at finde enhver virus, som de har en genetisk prøve for. I den fremtidige udvikling planlægger de yderligere forenkling og minimering af systemet, såvel som at gøre det muligt for det at teste for flere typer sygdomme på én gang, en funktion kaldet sygdomsmultipleksing.

Schmidt har også til hensigt at bruge dette koncept til at udvikle diagnostiske værktøjer til cancerbiomarkører og andre sundhedstilstande, der efterlader spor af DNA/RNA eller protein i kroppen. Det vil sandsynligvis vare et par år, før dette koncept kommercialiseres og bringes på markedet.

Flere oplysninger: Sampad, Mohammad Julker Neyen, Label-fri og amplifikationsfri viral RNA-kvantificering fra primat-biovæsker ved hjælp af en fangst-assisteret optofluidisk nanopore-platform, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2400203121. doi.org/10.1073/pnas.2400203121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af University of California - Santa Cruz