Haben Sie Husten, Halsschmerzen und Verstopfung? Eine beliebige Anzahl von Atemwegsviren könnte dafür verantwortlich sein. Herkömmliche Tests können bestimmte wahrscheinliche Schuldige identifizieren, indem sie sich auf chemische Reaktionen stützen, aber einige Forscher möchten die Chemie gegen elektrische Veränderungen austauschen, die von Nanomaterialien wahrgenommen werden. Heute berichten Wissenschaftler über die Verwendung eines ein Atom dicken Nanomaterials zum Bau eines Geräts, das gleichzeitig das Vorhandensein der Viren nachweisen kann, die COVID-19 und die Grippe verursachen – in viel geringeren Mengen und viel schneller als herkömmliche Tests für beides.
Die Forscher stellen ihre Ergebnisse auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vor. ACS Spring 2023 ist ein Hybrid-Meeting, das vom 26. bis 30. März virtuell und persönlich abgehalten wird.
Die Symptome von Grippe und COVID-19 überschneiden sich erheblich, was es schwierig macht, zwischen ihnen zu unterscheiden, bemerkt Deji Akinwande, Ph.D., der die Arbeit auf dem Treffen vorstellt.
„Wenn diese beiden Viren zusammen zirkulieren, wie sie es Anfang dieses Winters getan haben, wäre es immens nützlich, einen Sensor zu haben, der gleichzeitig erkennen kann, ob Sie COVID, Grippe, keines der oben genannten oder beides haben“, sagt er.
Akinwande, der an der University of Texas in Austin ist, sagt, dass das Gerät, das er und seine Kollegen entwickeln, modifiziert werden könnte, um auch auf andere Infektionen zu testen.
Die Gruppe, darunter Dmitry Kireev, Ph.D., ein Postdoc in Akinwandes Labor, konstruierte den COVID-19- und Grippesensor unter Verwendung von Graphen, einer einzelnen Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem sechseckigen Gittermuster angeordnet sind. Seine extreme Dünnheit macht Graphen sehr empfindlich gegenüber elektrischen Veränderungen in seiner Umgebung. Akinwande und andere Forscher sehen ein enormes Potenzial darin, daraus und anderen, ähnlichen Nanomaterialien Sensoren für viele verschiedene Anwendungen zu entwickeln.
„Diese ultradünnen Nanomaterialien halten im Allgemeinen den Rekord für die beste Empfindlichkeit, sogar bis hin zum Nachweis einzelner Atome, und sie können die Fähigkeit verbessern, sehr kleine Mengen von im Grunde allem, was erfasst werden muss, zu erkennen, seien es Bakterien oder Viren Gas oder im Blut“, sagt Akinwande.
Zuvor berichtete seine Gruppe über die Entwicklung einer temporären Tätowierung auf Graphenbasis, die den Blutdruck überwachen könnte. Das Tattoo besteht aus Sensorpaaren, die entlang der Arterien des Arms platziert werden. Eine Hälfte jedes Paares sendet einen elektrischen Strom aus, den sein Partner erkennt. Dieses Signal wird verwendet, um den Blutfluss zu bestimmen.
Um den Infektionssensor zu bauen, mussten die Forscher Graphen dazu bringen, auf das Vorhandensein von viralem Protein zu reagieren. Dazu untersuchten sie das Immunsystem, das Antikörper produziert, die darauf abgestimmt sind, bestimmte Krankheitserreger zu erkennen und sich daran zu binden. Die Forscher verknüpften Antikörper gegen SARS-CoV-2, das Virus, das COVID-19 verursacht, und gegen das Grippevirus mit Graphen. Wenn eine Probe einer infizierten Person auf den Sensor gegeben wird, binden diese Antikörper an ihre Zielproteine, was zu einer Änderung des elektrischen Stroms führt.
Die Forscher verfügten nicht über die erforderlichen Sicherheitseinrichtungen, um ganze, aktive Grippe- oder SARS-CoV-2-Viren zum Testen des etwa Quadratzoll großen Sensors zu verwenden. Als Ersatz verwendeten sie Proteine dieser Viren, die in einer Flüssigkeit verabreicht wurden, die Speichel ähneln sollte. Ihre Ergebnisse zeigten, dass der Sensor nicht nur das Vorhandensein der Proteine erkennen konnte, sondern auch, wenn sie in extrem geringen Mengen vorhanden waren. Diese Empfindlichkeit deutete darauf hin, dass der Sensor zum Nachweis der viel spärlicheren Viruspartikel im Atem verwendet werden könnte, sagt Akinwande.
Der Sensor arbeitete auch schnell und lieferte Ergebnisse innerhalb von etwa 10 Sekunden nach dem Eintropfen einer Probe, sagt er. Im Vergleich dazu können herkömmliche COVID-19-Tests je nach Typ Minuten oder Stunden dauern, und ein kürzlich von der US-amerikanischen Food and Drug Administration genehmigter dualer COVID- und Grippetest benötigt etwa eine halbe Stunde, um Ergebnisse zu liefern.
Akinwande und seine Gruppe arbeiten daran, seine Leistung weiter zu verbessern, unter anderem durch die Erweiterung der Liste der Viren, die es erkennen kann. Mit finanzieller Unterstützung der National Science Foundation entwickeln sie einen Sensor, der auf SARS-CoV-2-Varianten wie Omicron und Delta getestet werden soll. Während sie sich derzeit auf ein Design mit zwei Varianten konzentrieren, könnte der Test angepasst werden, um noch mehr gleichzeitig zu identifizieren, sagen sie.
Mehr Informationen:
ACS Spring 2023: Unkonventionelle Anwendungen von 2D-Materialien von Speichergeräten bis hin zu COVID-Sensoren und tragbaren Gesundheitsgeräten, www.acs.org/meetings/acs-meetings/spring-2023.html