25.01.2022 - University of Illinois at Urbana-Champaign

Neue markierungsfreie Nachweismethode zählt intakte SARS-CoV-2-Viruspartikel in Speichel oder ausgeatmetem Atem digital

Während Gesundheits- und Forschungseinrichtungen weiterhin zügig neue Methoden zum Nachweis von SARS-CoV-2 entwickeln, haben sich Forscher des Holonyak Micro & Nanotechnology Laboratory an vorderster Front der Entdeckung wiedergefunden und sind mit ihrer Arbeit auf dem Titelblatt des Journal of the American Chemical Society vertreten.

Die markierungsfreie Detektion, ein Ansatz, bei dem ein Biosensor und ein Detektionsinstrument zur Überwachung der Viruslast eingesetzt werden, ist eine Lösung, mit der intakte Viruspartikel im Speichel oder in der Ausatemluft erfasst und digital gezählt werden können, um die Kosten und die Zeit für die Diagnose einer Infektion zu senken.

Die derzeit am weitesten verbreitete SARS-CoV-2-PCR-Testmethode ist der PCR-Assay, bei dem durch enzymatische Amplifikation viele Kopien eines bestimmten Abschnitts der Virus-RNA hergestellt werden, was eine Extraktion des viralen Genoms und ein komplexes Laborverfahren erfordert. Bei dem neuen Ansatz wird stattdessen ein speziell entwickeltes Nukleinsäuremolekül, ein so genanntes "Aptamer", verwendet, das an einen Biosensor gebunden ist, der selektiv eines der Proteine auf der äußeren Oberfläche des Virus erkennt und es in einem einzigen Schritt bei Raumtemperatur einfängt, ohne dass weitere Reagenzien erforderlich sind. Nach dem Einfangen werden die Viren mit einer neu erfundenen Form der Mikroskopie gezählt, die Bilder aus Laserlicht erzeugt, das von jedem eingefangenen Virus gestreut wird.

"Wir erwarten daher, dass die Kosten für einen Test erheblich gesenkt werden und der gesamte Prozess stark vereinfacht wird (weniger arbeitsintensiv)", sagte Mitautor Nantao Li, ein Doktorand in Elektrotechnik und Computertechnik. "Darüber hinaus können die von uns verwendeten Aptamere selektiv zwischen aktiven und inaktiven Viren unterscheiden, wodurch die Diagnoseergebnisse robuster werden. Herkömmliche Verfahren wie die PCR weisen die virale RNA-Sequenz nach, die in Körperflüssigkeiten verbleiben kann, auch wenn keine infektiösen Viren mehr vorhanden sind."

Um die eingefangenen Viren aufzuspüren und zu zählen, hat das Team kürzlich ein neues bildgebendes Verfahren namens Photonic Resonator Interferometric Microscopy (PRISM) entwickelt. PRISM verwendet eine photonische Kristall-Biosensoroberfläche, um die Lichtstreuung von Viruspartikeln zu verstärken. Der photonische Kristall ist eine nanostrukturierte Oberfläche, die zwei Effekte hat. Erstens kann jedes Virus mehr Licht von einem beleuchtenden Laser streuen, was den Signalkontrast erhöht. Zweitens lenkt der photonische Kristall das gestreute Licht auf das Mikroskopobjektiv, so dass ein größerer Teil des gestreuten Lichts aufgefangen werden kann.

Während der markierungsfreie digitale Nachweis eine vielversprechende Alternative zum herkömmlichen SARS-CoV-2-Nachweis sein kann, ist Studienleiter Brian Cunningham davon überzeugt, dass dieser Ansatz auch auf andere Bereiche übertragbar ist.

"Wir planen bereits, in Kürze eine Überwachung der Viruslast von HIV in Plasma durchzuführen, und wir bauen eine tragbarere Version des Nachweissystems, die klein und kostengünstig genug ist, um in Biologielabors oder diagnostischen Laboreinrichtungen eingesetzt werden zu können", so Cunningham, Intel Alumni-Stiftungsprofessor für Elektrotechnik und Computertechnik.

Das Forschungsteam - bestehend aus den Hauptforschern Brian Cunningham, Yi Lu und Xing Wang sowie den Co-Autoren Xioajing Wang, Nantao Li und Joseph Tibbs - entwirft und implementiert eine neue Art von Fängermolekülen, die die Nachweiszeit auf wenige Minuten reduzieren. Sie stellen sich vor, dass eine Person in Zukunft in ein Gerät ausatmen kann und die ausgeatmeten Viruspartikel auf dem Sensor erfasst werden können.

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