Ein schneller, effizienter COVID-19-Biosensor befindet sich in der Entwicklung

Während sich die BA.5-Omicron-Variante weiter verbreitet, bereiten sich Gesundheitsexperten zunehmend auf eine Zukunft vor, in der solche COVID-19-Varianten auftauchen, zunehmen und zurückgehen, ähnlich wie bei der saisonalen Grippe. Ein wichtiger Teil, um über diese Veränderungen auf dem Laufenden zu bleiben, wird die Fähigkeit sein, das Virus schnell auf „Bevölkerungsebene“ zu überwachen, eine Anstrengung, die genaue und ultraschnelle Tests erfordert.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, entwickeln Forscher der School of Science der IUPUI einen neuen Biosensor mit dem Potenzial, die Geschwindigkeit und Effizienz zu erreichen, die für die Zukunft der COVID-19-Tests erforderlich sind.

Die Arbeit wurde kürzlich in gemeldet ACS Applied Material Interfaces, eine Zeitschrift der American Chemical Society. Es wird von Rajesh Sardar, einem Professor für Chemie und chemische Biologie an der School of Science, und Adrianna Masterson, einer Doktorandin in Sardars Labor zum Zeitpunkt der Studie, geleitet.

„Alle jagen Hochdurchsatztests nach; diese Art der Hochgeschwindigkeitsanalyse ist für die Zukunft des Kampfes gegen COVID-19 von entscheidender Bedeutung“, sagte Sardar. „Insbesondere unsere Technologie hat viele Vorteile: Sie ist schnell, effizient, genau und beispiellos empfindlich.“

In Bezug auf die Geschwindigkeit kann der COVID-19-Test aus Sardars Labor derzeit Proben von 96 Personen in weniger als drei Stunden analysieren, sagte er. In Bezug auf die Effizienz benötigt das System nur 10 Mikroliter Blut.

Im Vergleich dazu werden bei einer typischen Blutuntersuchung durch einen Hausarzt 10 Milliliter Blut gesammelt – mehr als 1.000 Mal mehr.

Der Sensor funktioniert auch mit anderen Probentypen wie Speichel, sagte Sardar. Die Studie wurde jedoch mit Blut durchgeführt, da es die komplexeste Körperflüssigkeit und daher der beste Indikator für die Genauigkeit eines Sensors ist. Alle Testproben wurden von der Indiana Biobank bezogen, die 216 Blutproben bereitstellte, darunter 141 Proben von Patienten mit COVID-19 und 75 gesunde Kontrollproben.

Basierend auf einer Blindanalyse stellten IUPUI-Forscher fest, dass die Genauigkeitsrate ihres Biosensors 100 Prozent und seine Spezifitätsrate 90 Prozent betrug. Mit anderen Worten, der Sensor hat nie falsch negativ gemeldet und nur bei 1 von 10 Proben falsch positiv gemeldet. Für die Zwecke der öffentlichen Sicherheit sagte Sardar, dass das Fehlen von falsch negativen Ergebnissen wichtiger sei als falsch positive, da eine Person mit einem falsch negativen Ergebnis andere unwissentlich infizieren könne, während eine Person mit einem falsch positiven Ergebnis keine Gefahr darstelle.

Darüber hinaus sagte Sardar, der Sensor habe sich als sehr genau bei der Messung der körpereigenen COVID-19-Antikörperkonzentration erwiesen. Dies liegt daran, dass es nicht nur das Spike-Protein des Virus erkennt, sondern auch die vom Körper zum Schutz vor dem Virus gebildeten Proteine ​​– Immunoglobin G oder IgG.

Er sagte auch, dass die Fähigkeit, COVID-19-Antikörper zu messen, von Bedeutung ist, da viele COVID-19-Antikörpertests, die derzeit im Rahmen der Notfallgenehmigung der FDA zugelassen sind, keine spezifischen Antikörperzahlen liefern, obwohl diese Zahl die Stärke der Immunität einer Person anzeigt Infektion.

„Die genaue Messung des Immunitätsniveaus der Patienten wird für den künftigen Schutz vor COVID-19 von entscheidender Bedeutung sein“, sagte Sardar. „Dies zeigt sich deutlich in unserem aktuellen Stand der Dinge, da Varianten wie omicron – und zuletzt BA.5 – sogar vollständig geimpfte und geboosterte Personen infizieren.“

Um seine Ergebnisse zu erzielen, verwendet der Biosensor von Sardars Labor chemisch synthetisierte dreieckige Nanoprismen aus Gold, die eine einzigartig starke optische Reaktion auf sogar winzige Mengen an IgG bieten. Dies bedeutet auch, dass der Sensor Antikörper in den frühesten Stadien einer Infektion erkennen kann.

Die Arbeit, die in den frühen Tagen der Pandemie begann, baut auf ersten vielversprechenden Ergebnissen auf erschienen im Juni 2021. Als nächstes beabsichtigt Sardar, die Technologie weiter zu verfeinern, mit dem Ziel, schließlich 384 Proben in weniger als einer Stunde verarbeiten zu können – oder 5.000 Proben pro Tag, wenn es in einem größeren Testzentrum verwendet wird.

„Bei dieser Forschung geht es darum, sich auf die Zukunft vorzubereiten“, sagte Sardar, der auch Forscher am Melvin and Bren Simon Comprehensive Cancer Center der Indiana University ist. „Der H1N1-Stamm der Grippe ist fast 100 Jahre alt. Ich gehe davon aus, dass das Coronavirus uns auch noch lange begleiten wird. Mit Blick auf die Zukunft müssen wir Wege finden, um die Infektionen oder das Infektionsrisiko vieler Menschen schnell und einfach zu messen und effizient, um dem Virus immer einen Schritt voraus zu sein.“