Forscher entwickeln Sensor für schnellere und genauere COVID-19-Tests

Ein an der Johns Hopkins University entwickelter COVID-19-Sensor könnte Virentests revolutionieren, indem er einem Prozess, der viele während der Pandemie frustrierte, Genauigkeit und Geschwindigkeit verleiht.

In einer neuen Studie, die heute in veröffentlicht wurde Nano-Buchstabenbeschreiben die Forscher den neuen Sensor, der keine Probenvorbereitung und minimale Fachkenntnisse des Bedieners erfordert und einen starken Vorteil gegenüber bestehenden Testmethoden bietet, insbesondere für bevölkerungsweite Tests.

„Die Technik ist so einfach, wie einen Tropfen Speichel auf unser Gerät zu geben und ein negatives oder positives Ergebnis zu erhalten“, sagte Ishan Barman, ein außerordentlicher Professor für Maschinenbau, der zusammen mit David Gracias, einem Professor für chemische und biomolekulare Technik, sind Seniorautoren der Studie. „Die wichtigste Neuerung ist, dass es sich um eine markierungsfreie Technik handelt, was bedeutet, dass keine zusätzlichen chemischen Modifikationen wie molekulare Markierung oder Antikörperfunktionalisierung erforderlich sind. Dies bedeutet, dass der Sensor schließlich in tragbaren Geräten verwendet werden könnte.“

Laut Barman adressiert die neue Technologie, die noch nicht auf dem Markt erhältlich ist, die Einschränkungen der beiden am häufigsten verwendeten Arten von COVID-19-Tests: PCR und Schnelltests.

PCR-Tests sind sehr genau, erfordern jedoch eine komplizierte Probenvorbereitung, wobei die Verarbeitung der Ergebnisse in einem Labor Stunden oder sogar Tage dauert. Andererseits sind Schnelltests, die nach Antigenen suchen, weniger erfolgreich bei der Erkennung früher Infektionen und asymptomatischer Fälle und können zu fehlerhaften Ergebnissen führen.

Der Sensor ist fast so empfindlich wie ein PCR-Test und so praktisch wie ein Antigen-Schnelltest. Während der ersten Tests zeigte der Sensor eine Genauigkeit von 92 % beim Nachweis von SARS-COV-2 in Speichelproben – vergleichbar mit der von PCR-Tests. Der Sensor war auch sehr erfolgreich bei der schnellen Bestimmung des Vorhandenseins anderer Viren, einschließlich H1N1 und Zika.

Der Sensor basiert auf großflächiger Nanoimprint-Lithographie, oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS) und maschinellem Lernen. Es kann für Massentests in Einweg-Chipformaten oder auf starren oder flexiblen Oberflächen verwendet werden.

Der Schlüssel zu der Methode ist das vom Gracias-Labor entwickelte großflächige, flexible feldverstärkende Metallisolator-Antennenfeld (FEMIA). Die Speichelprobe wird auf das Material aufgebracht und mittels oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie analysiert, bei der mit Laserlicht untersucht wird, wie Moleküle der untersuchten Probe schwingen. Da das nanostrukturierte FEMIA das Raman-Signal des Virus deutlich verstärkt, kann das System das Vorhandensein eines Virus schnell nachweisen, selbst wenn nur geringe Spuren in der Probe vorhanden sind. Eine weitere wichtige Innovation des Systems ist die Verwendung fortschrittlicher Algorithmen für maschinelles Lernen, um sehr subtile Signaturen in den spektroskopischen Daten zu erkennen, die es Forschern ermöglichen, das Vorhandensein und die Konzentration des Virus genau zu bestimmen.

„Die markierungsfreie optische Erkennung in Kombination mit maschinellem Lernen ermöglicht es uns, eine einzige Plattform zu haben, die auf eine breite Palette von Viren mit erhöhter Sensitivität und Selektivität mit einer sehr schnellen Bearbeitungszeit testen kann“, sagte die Hauptautorin Debadrita Paria, die an mitgearbeitet hat die Forschung als Postdoktorand des Maschinenbaus.

Das Sensormaterial kann auf jeder Art von Oberfläche platziert werden, von Türklinken und Gebäudeeingängen bis hin zu Masken und Textilien.

„Unter Verwendung modernster Nanoimprint-Fertigung und Transferdruck haben wir eine hochpräzise, ​​abstimmbare und skalierbare Nanofertigung von sowohl starren als auch flexiblen COVID-Sensorsubstraten realisiert, was für die zukünftige Implementierung nicht nur auf Chip-basierten Biosensoren, sondern auch auf Wearables wichtig ist“, sagte Gracias.

Er sagt, der Sensor könnte möglicherweise in ein tragbares Testgerät für schnelle Vorführungen an überfüllten Orten wie Flughäfen oder Stadien integriert werden.

„Unsere Plattform geht über die aktuelle COVID-19-Pandemie hinaus“, sagte Barman. „Wir können dies für breite Tests gegen verschiedene Viren verwenden, um beispielsweise zwischen SARS-CoV-2 und H1N1 und sogar Varianten zu unterscheiden. Dies ist ein wichtiges Problem, das mit aktuellen Schnelltests nicht ohne weiteres angegangen werden kann.“

Das Team arbeitet weiterhin daran, die Technologie weiterzuentwickeln und mit Patientenproben zu testen. Johns Hopkins Technology Ventures hat Patente für das damit verbundene geistige Eigentum beantragt und das Team verfolgt Lizenz- und Kommerzialisierungsmöglichkeiten.

Zu den Autoren gehören: Kam Sang (Mark) Kwok, ein Doktorand in Chemie- und Biomolekulartechnik; Piyush Raj, ein Doktorand; und Peng Zheng, ein Postdoktorand in Maschinenbau.