Nachweis von COVID-19-Antikörpern in 10-12 Sekunden

Forscher der Carnegie Mellon University berichten über eine fortschrittliche, auf Nanomaterialien basierende Biosensing-Plattform, die innerhalb von Sekunden spezifische Antikörper gegen SARS-CoV-2, das für die COVID-19-Pandemie verantwortliche Virus, nachweist. Zusätzlich zu den Tests wird die Plattform dazu beitragen, die immunologische Reaktion der Patienten auf die neuen Impfstoffe präzise zu quantifizieren.

Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht. Zu den Kooperationspartnern von Carnegie Mellon gehörten die University of Pittsburgh (Pitt) und das UPMC.

Die Testplattform identifiziert das Vorhandensein von zwei Antikörpern des Virus, dem Spike-S1-Protein und der Rezeptorbindungsdomäne (RBD), in einem sehr kleinen Blutstropfen (etwa 5 Mikroliter). Die Antikörper-Konzentrationen können extrem niedrig sein und immer noch unter einem Picomolar (0,15 Nanogramm pro Milliliter) nachgewiesen werden. Dieser Nachweis erfolgt durch eine elektrochemische Reaktion in einem handgehaltenen mikrofluidischen Gerät, das die Ergebnisse fast sofort an eine einfache Schnittstelle auf einem Smartphone sendet.

"Wir haben die neuesten Fortschritte in den Bereichen Materialien und Fertigung genutzt, wie z. B. den 3D-Druck von Nanopartikeln, um ein Gerät zu entwickeln, das schnell COVID-19-Antikörper nachweisen kann", sagte Rahul Panat, ein außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Carnegie Mellon University, der spezielle additive Fertigungstechniken für Forschungen einsetzt, die von Gehirn-Computer-Schnittstellen bis zu Biomonitoring-Geräten reichen.

Eine additive Fertigungstechnologie namens Aerosol Jet 3D-Druck ist für die Effizienz und Genauigkeit der Testplattform verantwortlich. Winzige, kostengünstige Gold-Mikrosäulenelektroden werden im Nanobereich mit Aerosol-Tröpfchen gedruckt, die thermisch zusammengesintert werden. Dadurch entsteht eine raue, unregelmäßige Oberfläche, die für eine vergrößerte Oberfläche der Mikropillare und eine verbesserte elektrochemische Reaktion sorgt, bei der sich Antikörper an die auf der Elektrode beschichteten Antigene anlagern können. Durch die spezifische Geometrie können die Mikrospiralen mehr Proteine zur Detektion aufnehmen, was zu sehr genauen und schnellen Ergebnissen führt.

Der Test hat eine sehr niedrige Fehlerquote, da die Bindungsreaktion zwischen dem Antikörper und dem Antigen, die in dem Gerät verwendet wird, hoch selektiv ist. Dieses natürliche Design konnten die Forscher zu ihrem Vorteil ausnutzen.

Die Ergebnisse kommen zu einem dringenden Zeitpunkt während der COVID-19-Pandemie. "Da unsere Technik die Immunantwort auf die Impfung quantifizieren kann, ist sie in der aktuellen Situation sehr relevant", sagte Panat.

Panat arbeitete mit Shou-Jiang Gao zusammen, dem Leiter des Krebsvirologie-Programms am Hillman Cancer Center des UPMC und Professor für Mikrobiologie und Molekulargenetik an der Pitt. Azahar Ali, ein Forscher in Panats Advanced Manufacturing and Materials Lab, war der Hauptautor der Studie.

Die schnelle Diagnose für die Behandlung und Vorbeugung von übertragbaren Krankheiten ist ein Thema der öffentlichen Gesundheit, das über die aktuelle COVID-19-Pandemie hinausgeht. Da die vorgeschlagene Sensorplattform generisch ist, kann sie für den schnellen Nachweis von Biomarkern für andere Infektionserreger wie Ebola, HIV und Zika verwendet werden. Ein solcher schneller und effektiver Test könnte ein entscheidender Faktor für die Kontrolle der Ausbreitung von Krankheiten sein.