Neuer diagnostischer Test ist 1.000-mal empfindlicher als herkömmliche Tests

Als Srikanth Singamaneni und Guy Genin, beide Professoren für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der McKelvey School of Engineering der Washington University in St. Louis, Ende 2019 eine neue Zusammenarbeit mit Forschern der School of Medicine eingingen, wussten sie das noch nicht Die Landschaft der Erforschung von Infektionskrankheiten stand kurz davor, sich dramatisch zu verändern. In einem Konferenzraum mit Blick auf den Forest Park an einem schönen Herbsttag hatte das Team ein Ziel vor Augen: das größte Problem der Infektionskrankheiten anzugehen, mit dem die Welt gerade konfrontiert ist.

„Srikanth und ich hatten eine Vision von einem einfachen, quantitativen Diagnosewerkzeug, also haben wir uns mit Ärzten für Infektionskrankheiten hier bei WashU in Verbindung gesetzt und sie gefragt: ‚Was sind die wichtigsten Fragen, die beantwortet werden könnten, wenn Sie wirklich detaillierte Informationen günstig erhalten könnten? Point of Care?'“, sagte Genin, Harold and Kathleen Faught Professor of Mechanical Engineering.

„Greg Storch sagte uns, dass eine der wichtigsten Herausforderungen auf dem Gebiet der Infektionskrankheiten darin besteht, schnell herauszufinden, ob ein Patient eine bakterielle Infektion hat und Antibiotika erhalten sollte, oder eine Virusinfektion hat, bei der Antibiotika nicht wirksam sind .“

Storch, MD, die Ruth L. Siteman-Professorin für Pädiatrie an der School of Medicine, interessierte sich für Krankheiten, die die meisten Menschen regelmäßig betreffen – Erkältungen, Halsentzündung oder Grippe –, die jedoch nicht so viel Aufmerksamkeit in der Forschung erhielten wie seltenere Krankheiten. „Trotz großer Fortschritte in der Diagnostik von Infektionskrankheiten gibt es immer noch eine Nische für Tests, die einfach, schnell und empfindlich sind“, sagte Storch. „Es wäre besonders leistungsfähig, wenn sie quantitative Informationen liefern könnten. Tests mit diesen Merkmalen könnten in hochentwickelten Labors oder im Feld eingesetzt werden.“

Auf der Grundlage seiner jahrelangen Erfahrung in der Entwicklung von Nanomaterialien für Anwendungen in Biologie und Medizin versuchte Singamaneni, der Lilyan & E. Lisle Hughes-Professor, diese Einschränkungen bei diagnostischen Tests am Point-of-Care zu überwinden. Singamaneni und sein Labor entwickelten ultrahelle fluoreszierende Nanomarker namens Plasmon-Fluoreszenzen, die schnell in eine gemeinsame Testplattform, den Lateral-Flow-Assay (LFA), integriert werden konnten.

Plasmonenverstärkte LFAs (p-LFAs) verbessern kostengünstige, leicht verfügbare Schnelltests auf die von Ärzten geforderte Sensitivitätsstufe, um Vertrauen in die Testergebnisse zu haben, ohne dass eine laborbasierte Bestätigung erforderlich ist.

Laut den am 2. Februar veröffentlichten Ergebnissen Natur Biomedizinische Techniksind die p-LFAs des Teams 1.000-mal empfindlicher als herkömmliche LFAs, die Ergebnisse über ein sichtbares Farb- und Fluoreszenzsignal auf dem Streifen anzeigen. Bei der Analyse mit einem Fluoreszenzscanner sind p-LFAs auch wesentlich schneller als Goldstandard-Labortests und liefern Ergebnisse in nur 20 Minuten statt in mehreren Stunden bei vergleichbarer oder verbesserter Empfindlichkeit. Die p-LFAs können Proteinkonzentrationen nachweisen und quantifizieren, wodurch sie bakterielle und virale Infektionen sowie Entzündungsmarker erkennen können, die auf andere Krankheiten hinweisen.

„Plasmonic-Fluores bestehen aus Metallnanopartikeln, die als Antennen dienen, um das Licht anzuziehen und die Fluoreszenzemission von molekularen Fluorophoren zu verstärken, wodurch sie zu ultrahellen Nanopartikeln werden“, erklärte Singamaneni.

„Unsere p-LFAs können selbst sehr geringe Konzentrationen von Antikörpern und Antigenen, typischen Infektionsmarkern, erkennen und Klinikern klare, schnelle Ergebnisse liefern, ohne dass spezielle Geräte erforderlich sind. Für quantitative Tests über das anfängliche Screening hinaus kann derselbe LFA-Streifen verwendet werden mit einem Fluoreszenzlesegerät gescannt, was einen schnellen und hochempfindlichen kolorimetrischen und fluorometrischen Nachweis von Krankheitsmarkern mit nur einem Test ermöglicht.

„Es ist, als würde man die Lautstärke bei Standard-Teststreifen mit Farbwechsel erhöhen. Anstatt eine schwache Linie zu erhalten, die nur ein positives oder negatives Ergebnis anzeigt, liefern die neuen p-LFAs klarere Ergebnisse mit weniger Partikeln, sodass man von einfach „Ja oder“ ausgehen kann NEIN?‘ auf genau „wie viel?“ mit Hilfe eines kostengünstigen, tragbaren Scanners“, sagte Jeremiah Morrissey, Forschungsprofessor für Anästhesiologie in der Abteilung für klinische und translationale Forschung an der School of Medicine. Morrissey ist Co-Autor der neuen Studie und langjähriger Mitarbeiter des Singamaneni-Labors.

Diese verbesserte Testfähigkeit hat offensichtliche Vorteile für eine Bevölkerung, die jetzt nur allzu gut mit der Notwendigkeit schneller und zuverlässiger Testergebnisse und dem Risiko falsch negativer Ergebnisse vertraut ist.

„Als wir uns 2019 diesem Problem annahmen, dachten wir, unsere größte Herausforderung würde darin bestehen, eine ausreichende Anzahl von Proben von kranken Menschen zu bekommen“, erinnert sich Genin. „Wo um alles in der Welt könnten wir eine große Menge an Proben von Patienten finden, deren Symptome sorgfältig dokumentiert und deren Diagnose durch langsame und teure PCR-Tests bestätigt wurde?“ Innerhalb weniger Monate würde COVID-19 dieses Hindernis beseitigen und gleichzeitig eine ganze Reihe neuer Herausforderungen und Möglichkeiten einführen.

„Die Pandemie war eine große Veränderung für uns, wie sie es für alle war“, sagte der Erstautor Rohit Gupta, der als Doktorand im Labor von Singamaneni an der p-LFA-Studie arbeitete und jetzt leitender Wissenschaftler bei Pfizer ist. „Wir mussten uns von unserem ursprünglichen Fokus auf die Unterscheidung von Viren und Bakterien verabschieden, aber es stellte sich als eine Gelegenheit heraus, praktische Wissenschaft mit echtem Einsatz zu betreiben. Wir arbeiteten mit Epidemiologen zusammen, um Proben für Tests zu erhalten, und mit Diagnostikern, mit denen wir unseren Test vergleichen konnten was verfügbar war, und mit Klinikern, um Einblicke in den tatsächlichen Bedarf an Patientenversorgung zu erhalten.“

Die Beiträge aus der gesamten Zusammenarbeit halfen Gupta und Singamaneni, das Design der p-LFAs zu verfeinern, die schließlich eine klinische Sensitivität von 95 % und eine Spezifität von 100 % für SARS-CoV-2-Antikörper und -Antigene erreichten. Genin beschrieb die Ergebnisse als atemberaubend.

„Wir wussten nicht, dass es so gut funktionieren würde“, sagte er. „Wir wussten, dass es gut werden würde, aber wir wussten nicht, dass dieser 1-Dollar-Test mit einem 300-Dollar-Auslesegerät so viel besser – zehnmal besser – sein würde als der Stand der Technik, den wir alle während der COVID-Pandemie verwendet haben.“

Nachdem sie nun bewiesen haben, dass p-LFAs Standard-Labortests in Sensitivität, Geschwindigkeit, Bequemlichkeit und Kosten für eine Krankheit übertreffen können, möchte das Team neue Anwendungen für die Technologie entwickeln, einschließlich der Rückkehr zu ihrem ursprünglichen Ziel, bakterielle versus virale Infektionen zu identifizieren und ihr Diagnosewerkzeug in die Hände von Ärzten auf der ganzen Welt zu bringen.

Die p-LFA-Technologie wurde vom Office of Technology Management der Washington University an Auagent Bioscience LLC lizenziert. Singamaneni und Morrissey gehören zu den Mitbegründern von Auragent, einem WashU-Startup.

„Wir gehen davon aus, dass p-LFAs in den nächsten ein bis zwei Jahren im Handel erhältlich sein werden“, sagte Singamaneni. „Im Moment arbeiten wir an der Verbesserung unserer tragbaren Scannertechnologie, die den Teststreifen zusätzlich zu der mit bloßem Auge erkennbaren Farbänderung eine empfindlichere, fluoreszierende Lesefähigkeit hinzufügt. Wir glauben, dass wir diese Kosten aufbringen können bis zu einem Punkt, an dem es für ländliche Kliniken in den USA und im Ausland zugänglich ist, was eines unserer ursprünglichen Ziele war.“

„Wir freuen uns auch über das Potenzial, viel mehr Krankheiten als COVID zu erkennen, möglicherweise unter Verwendung eines Hautpflasters, das eine schmerzlose Probe entnehmen kann“, fügte Singamaneni hinzu. „Diese Technologie hat das Potenzial, eine beliebige Anzahl von Krankheiten zu erkennen, die von sexuell übertragbaren Krankheiten bis hin zu Atemwegsinfektionen und mehr reichen, sowie Zytokine, die auf Entzündungen hinweisen, die bei Erkrankungen wie rheumatoider Arthritis und Sepsis auftreten.“