Impfstoffe sind zur wichtigsten Waffe im Kampf gegen die COVID-19-Pandemie geworden, aber die Antikörperspiegel nach der Impfung nehmen mit der Zeit schnell ab. Daher wird dringend ein genauer und erschwinglicher Antikörper-Schnelltest benötigt, um die Impfstrategie anzupassen. Ein Forschungsteam unter der Leitung der City University of Hong Kong (CityU) hat kürzlich ein genaues Schnelltestgerät erfunden, das den Antikörperspiegel als Länge eines visuellen Balkens wie ein Quecksilberthermometer in nur 20 Minuten quantifizieren und anzeigen kann bequemes Massenscreening oder individuelle Überwachung des Immunschutzes gegen COVID-19.
Der Antikörperspiegel ist ein starkes Korrelat des Immunschutzes gegen eine Virusinfektion, variiert jedoch je nach Impfstofftyp und kann schnell abfallen. In der Ära nach der Impfung, mit dem Aufkommen der Omicron-Varianten, ist es entscheidend, die Antikörperspiegel schnell und kostengünstig zu überwachen, was dazu beitragen kann, auf die Notwendigkeit einer Wiederholungsimpfung aufmerksam zu machen. Bestehende Antikörper-Testmethoden sind jedoch entweder nur für positive/negative Ergebnisse (wie Antigen-Schnelltests) oder erfordern Ausrüstung in professionellen Labors oder Krankenhäusern zur Quantifizierung, was teuer, zeitaufwändig und für Routinetests unpraktisch ist.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Chen Ting-Hsuan, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Biomedizinische Technik an der CityU, hat kürzlich eine Lösung entwickelt, indem es einen neuen Antikörper-Schnelltest erfunden hat, der die mit bloßem Auge lesbare Antikörperkonzentration anzeigt. Die Ergebnisse wurden in Science Advances unter dem Titel „Microfluidic Particle Dam for Direct Visualization of SARS-CoV-2 Antikörperlevels in COVID-19-Impflingen“ veröffentlicht.
Anzeigen von Antikörperspiegeln in einer leicht lesbaren Weise
Es gibt viele Versuche, herkömmliche Immunoassays, wie z. B. Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA) und Elektrochemie, in ein tragbares Format zu miniaturisieren. Diese miniaturisierten Immunoassays benötigen jedoch alle ein spezifisches Lesegerät, um große oder kleine Signale aufzunehmen, was teuer und fehleranfällig ist, wenn es von ungeschulten Benutzern bedient wird. Im Gegensatz dazu zeigt unser einzigartiges Gerät den Antikörperspiegel direkt auf dem Chip an, sodass Benutzer den Antikörperspiegel sehen können, indem sie die Länge des Balkens auf dem Chip betrachten, wodurch er instrumentenlos und so einfach wie ein Thermometer abzulesen ist besser geeignet für normale Benutzer.“
Dr. Chen Ting-Hsuan, Außerordentlicher Professor, Institut für Biomedizinische Technik, CityU
Der vom Team entwickelte Schnelltest ist ein fingergroßes mikrofluidisches Gerät, das zwei Arten von speziell entwickelten Mikropartikeln enthält – magnetische Mikropartikel (MMPs) und Polystyrol-Mikropartikel (PMPs). Beide können an den Antikörper gegen SARS-CoV-2 binden, das ist das Virus, das COVID-19 verursacht. Wenn Antikörper in der Probe vorhanden sind, binden sie sowohl an die MMPs als auch an die PMPs und bilden MMP-Antikörper-PMP-verbundene Mikropartikel.
Die Forscher müssen lediglich die Partikellösung, die mit einigen kleinen Tropfen Blutplasma gemischt wurde, das aus dem Fingerstich eines Benutzers entnommen wurde, in den mikrofluidischen Chip laden. Fließt die Partikellösung durch den Chip, entfernt ein darin integrierter Magnetabscheider die MMPs und die damit verbundenen Mikropartikel. Freie PMPs, die nicht an MMPs gebunden sind, fließen weiter, bis sie an einem Partikeldamm eingefangen werden. Wenn sich die PMPs anreichern, bilden sie einen sichtbaren Balken, dessen Länge umgekehrt proportional zum Antikörperspiegel in Nanogramm pro Milliliter ist. So kann es den Antikörperspiegel quantifizieren und visualisieren, während ein Thermometer die Temperatur misst.
Das Forschungsteam testete die Nachweisempfindlichkeit von Proben, die durch Reihenverdünnung von Antikörpern hergestellt wurden, und stellte fest, dass das neue Gerät Antikörper von nur 10,75 ng/ml nachweisen konnte, was viel empfindlicher war als herkömmliche Schnelltests. Noch wichtiger war, dass die Nachweisergebnisse des neuen Geräts genau waren, da sie eng mit den Ergebnissen übereinstimmten, die mit dem Goldstandard-ELISA in einem professionellen Labor erzielt wurden.
Hochempfindlich und nicht leicht zu stören
Anschließend testete das Team die Nachweisleistung von Antikörpern in unverdünntem Serum, um festzustellen, ob die komplexen Komponenten in einer biologischen Probe die Nachweisleistung beeinträchtigen würden. Die Erkennungsstufe kann auf empfindlichen Modus oder schnellen Modus eingestellt werden. Der sensitive Modus kann innerhalb von 70 Minuten Antikörper in einer niedrigen Konzentration von 13,3 ng/ml nachweisen. Im Gegensatz dazu dauert der Schnellmodus nur 20 Minuten, aber die niedrigste nachweisbare Konzentration beträgt 57,8 ng/ml.
Das Team rekrutierte 91 Freiwillige in Hongkong ohne Vorgeschichte von COVID-19, die einige Wochen vor dem Antikörpertest ihre zweite Impfstoffdosis erhielten. Die Ergebnisse zeigten, dass der Antikörperspiegel bei denjenigen, die einen mRNA-Impfstoff (BioNTech) erhielten, 1080,8 ng/ml erreichte, was viel höher war als der Antikörperspiegel von 30,2 ng/ml, der bei denjenigen gefunden wurde, die einen inaktivierten Impfstoff (Sinovac) erhalten hatten. Allerdings sanken die Antikörperspiegel in beiden Gruppen 45 Tage nach der ersten Messung deutlich ab. Bemerkenswerterweise stimmten die Nachweisergebnisse sehr gut mit den ELISA-Ergebnissen überein, was auf die hohe Genauigkeit des Antikörpertests hindeutet, die mit dem Goldstandard in professionellen Labors vergleichbar ist.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass unser mikrofluidischer Schnelltest eine kostengünstige, schnelle und genaue Messung von Antikörperspiegeln durch visuelle Inspektion ermöglicht und sich daher besonders für zeitsparende Massenscreening-Settings und den individuellen Gebrauch eignet. Der neue Schnelltest könnte in verwendet werden lokale Kliniken oder in Zukunft sogar Testkabinen an Grenzkontrollstellen“, sagte Dr. Chen. „Diese Messung kann als Antikörper-basierter ‚Immunitätspass‘ zur besseren Bewertung des Immunstatus dienen, um die wirtschaftliche Erholung zu beschleunigen, ohne die medizinische Belastung der Gesundheitssysteme zu erhöhen. Diese Fähigkeit kann zu neuartigen Ansätzen zur Bewältigung der Pandemie in verschiedenen Ländern führen , von der Null-Toleranz zur Koexistenz mit COVID-19.“
Dr. Chen und sein Team modifizieren das Gerät, um es für den Heimgebrauch zugänglicher und bequemer zu machen, indem sie es beispielsweise in die Lage versetzen, Antikörper in Proben wie Speichel oder Nasensekret nachzuweisen.
Die ersten Co-Autoren des Papiers sind Dr. Wu Minghui, Post-Doc, und Miss Wu Siying, Doktorandin im BME an der CityU. Dr. Chen ist der korrespondierende Autor. Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Dr. Iris Li Wai-sum von der University of Hong Kong durchgeführt und wird hauptsächlich vom Innovation and Technology Fund unterstützt.
Quelle:
Referenz:
Wu, M., et al. (2022)Mikrofluidischer Partikeldamm zur direkten Visualisierung von SARS-CoV-2-Antikörperspiegeln bei COVID-19-Impflingen. Wissenschaftliche Fortschritte. doi.org/10.1126/sciadv.abn6064.
