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Wissenschaftler entwickeln ein auf Nanopartikeln basierendes Biosensorgerät zum schnellen und hochempfindlichen Nachweis von SARS-CoV-2

Wissenschaftler der University of Michigan, USA, haben kürzlich ein auf Gold-Nanopartikeln basierendes Biosensorgerät für den schnellen und hochempfindlichen Nachweis des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) am Point-of-Care entwickelt. Die Studie ist derzeit auf der verfügbar medRxiv* Preprint-Server.

Studie: Die Nanoanordnung von plasmonischen Sonden-Viruspartikeln ermöglichte einen schnellen und hochempfindlichen Point-of-Care-Nachweis von SARS-CoV-2. Bildnachweis: LuckyStep/Shutterstock
Lernen: Die Nanoanordnung von plasmonischen Sonden-Viruspartikeln ermöglichte einen schnellen und hochempfindlichen Point-of-Care-Nachweis von SARS-CoV-2. Bildnachweis: LuckyStep/Shutterstock

Hintergrund

Der Nachweis von SARS-CoV-2-RNA in Atemwegsproben mittels reverser Transkriptions-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) gilt als Goldstandard für die Diagnose der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19).

Obwohl hochempfindlich und spezifisch, ist RT-PCR teuer und zeitaufwändig und erfordert geschultes Personal, um das komplexe Verfahren durchzuführen. Diese Faktoren machen die RT-PCR für die COVID-19-Diagnose in Point-of-Care-Umgebungen ungeeignet.

In der aktuellen Studie haben Wissenschaftler die Entwicklung eines auf Nanobaugruppen basierenden schnellen und sensitiven COVID-19-Biosensor-Assays beschrieben, der keine Probenverarbeitung erfordert.

Assay-Entwicklung

In der Studie wurde ein tragbares Biosensorgerät entwickelt, um SARS-CoV-2-Partikel in Point-of-Care-Umgebungen schnell und genau zu erkennen und zu quantifizieren. Der Assay umfasste nur einen einzigen Schritt des Mischens von Reagenz und Probe, der durch Selbstorganisation zur spontanen Konstruktion einer Anordnung von Goldnanopartikeln führte, die ein Viruspartikel umgaben.

Insbesondere enthielt der Assay Antikörper-konjugierte Gold-Nanopartikel als plasmonische Nanosonden, die spezifisch an das Spike-Protein von SARS-CoV-2 binden, was zur Bildung einer selbstorganisierten Gold-Nanopartikel-Virus-Hybrid-Nanostruktur führte, die als Plasmo-Virus-Partikel bezeichnet wurde .

Die optische Wechselwirkung zwischen Plasmo-Virus-Partikeln induziert eine starke plasmonische Multimode-Kopplung, was zur Erzeugung von mehreren lokalisierten Oberflächen-Plasmon-Resonanz-Peaks führt. Die Intensitäten dieser Peaks unterscheiden sich mit der Anzahl der in der Probe vorhandenen Viruspartikel. Somit ermöglichte die Messung von Peak-Intensitäten die Quantifizierung von Viruspartikeln in der Probe mit einer niedrigen Nachweisgrenze.

Das in der Studie konstruierte handgehaltene Point-of-Care-Biosensorgerät umfasste eine mikrooptoelektronische Einheit mit einem Biochip, einem Mikrocontroller und einer von einer Smartphone-Anwendungssoftware gesteuerten Datenübertragungseinheit.

Das Smartphone-betriebene Gerät wurde zum Nachweis von SARS-CoV-2 auf Nanobaugruppenbasis in einem kleinen Volumen eines viralen Transportmediums verwendet, das zur sicheren Übertragung des Virus verwendet wird. Insbesondere misst das Gerät die Änderung der Lichtdurchlässigkeit durch die Probe unter Verwendung eines komplementären Metalloxid-Halbleiter-Fotodetektors.

Die Wirkungsweise des gesamten Systems umfasste das Mischen einer plasmonischen Nanosonden-Reagenzlösung mit virushaltigem Medium, gefolgt von dem Laden der Mischung auf den Biochip, dem Einsetzen des Biochips in das integrierte Point-of-Care-Biosensorgerät und schließlich dem Erkennung des Photostromsignals. Für die Echtzeitüberwachung des Signals per Smartphone wurde eine maßgeschneiderte Software verwendet.

Diagnostische Wirksamkeit des Biosensor-Geräts

Unterschiedliche Mengen viraler Partikel wurden verwendet, um die Konsistenz der Biosensorvorrichtung zu bestimmen. Da das Plasmovirus-Partikel multiplasmonische Moden bei Wellenlängen von 532 nm und 780 nm aufweist, wurde die normalisierte Änderung des Photostromsignals bei diesen beiden Wellenlängen gemessen.

Unter Verwendung der Photostromsignalwerte wurde eine Standard-Multimode-Kalibrierkurve erstellt, die zeigte, dass das Biosensorgerät eine hohe Konsistenz bei der genauen Quantifizierung von SARS-CoV-2-Partikeln mit einer niedrigen Nachweisgrenze aufweist.

Verschiedene Arten virushaltiger Medien, einschließlich phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS), Speichel und Virustransportmedium, wurden verwendet, um die Nachweisgrenze für diese Medien zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Erkennungskonsistenz des Biosensors unabhängig von den verwendeten Medientypen hoch bleibt.

Die Spezifität des Geräts wurde durch Messen von Photostromsignalen für Proben bestimmt, die Mikrophase, Langbohnenmosaikvirus, SiO2-Nanopartikel oder SARS-CoV-2 in unterschiedlichen Konzentrationen enthielten. Die Ergebnisse zeigten, dass das Gerät SARS-CoV-2 spezifisch erkennt, was darauf hindeutet, dass auf SARS-CoV-2 gerichtete plasmonische Nanosonden nicht mit anderen getesteten Partikeln kreuzreagieren.

Bedeutung studieren

Die Studie beschreibt die Entwicklung und Validierung eines auf Gold-Nanopartikeln und Viruspartikeln basierenden Assays, der SARS-CoV-2 in Point-of-Care-Umgebungen konsistent und genau nachweist. Der Assay erfordert keine mühsame und zeitaufwändige Probenverarbeitung und kann COVID-19 kostengünstig innerhalb von 10 Minuten diagnostizieren.

Das Smartphone-betriebene Biosensor-Handgerät ermöglicht die Echtzeitüberwachung von Assay-generierten Signalen in Gegenwart von SARS-CoV-2 in klinisch relevanten Proben.#

*Wichtiger Hinweis

medRxiv veröffentlicht vorläufige wissenschaftliche Berichte, die keinem Peer-Review unterzogen wurden und daher nicht als schlüssig angesehen werden sollten, die klinische Praxis/das gesundheitsbezogene Verhalten leiten oder als etablierte Informationen behandelt werden sollten.

Referenz:

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