Электрохимический датчик на бумажной основе может обнаружить COVID-19 менее чем за пять минут

Поскольку пандемия COVID-19 продолжает распространяться по миру, тестирование остается ключевой стратегией отслеживания и сдерживания вируса. Аспирант по биоинженерии, Маха Алафиф, совместно разработала быстрый сверхчувствительный тест с использованием бумажного электрохимического датчика, который может обнаружить присутствие вируса менее чем за пять минут. Команда под руководством профессора Дипанджана Пана сообщила о своих выводах в ACS Nano.

«В настоящее время мы переживаем событие, которое меняет жизнь раз в столетие», — сказал Алафиф. «Мы отвечаем на эту глобальную потребность, используя целостный подход, разрабатывая междисциплинарные инструменты для раннего выявления, диагностики и лечения SARS-CoV-2».

На рынке есть две широкие категории тестов на COVID-19. Первая категория использует полимеразную цепную реакцию с обратной транскриптазой в реальном времени (ОТ-ПЦР) и стратегии гибридизации нуклеиновых кислот для идентификации вирусной РНК. Текущие диагностические тесты, одобренные FDA, используют этот метод. К некоторым недостаткам можно отнести время, необходимое для выполнения теста, потребность в специализированном персонале и доступность оборудования и реагентов.

Вторая категория тестов ориентирована на обнаружение антител. Однако может пройти от нескольких дней до нескольких недель после контакта человека с вирусом для выработки обнаруживаемых антител.

В последние годы исследователи добились определенного успеха в создании биосенсоров для пунктов оказания медицинской помощи с использованием 2D-наноматериалов, таких как графен, для обнаружения заболеваний. Основными преимуществами биосенсоров на основе графена являются их чувствительность, низкая стоимость производства и быстрое обнаружение. «Открытие графена открыло новую эру развития сенсоров благодаря его свойствам. Графен демонстрирует уникальные механические и электрохимические свойства, которые делают его идеальным для разработки чувствительных электрохимических сенсоров», — сказал Алафиф. Команда создала электрохимический биосенсор на основе графена с системой электрического считывания для выборочного обнаружения генетического материала SARS-CoV-2.

Этот биосенсор состоит из двух компонентов: платформа для измерения электрических показателей и зонды для обнаружения вирусной РНК. Чтобы создать платформу, исследователи сначала покрыли фильтровальную бумагу слоем графеновых нанопластинок, чтобы создать проводящую пленку. Затем они поместили золотой электрод определенной конструкции поверх графена в качестве контактной площадки для электрического считывания. И золото, и графен обладают высокой чувствительностью и проводимостью, что делает эту платформу сверхчувствительной для обнаружения изменений электрических сигналов.

Текущие тесты на COVID-19, основанные на РНК, проверяют наличие N-гена (нуклеокапсидный фосфопротеин) в вирусе SARS-CoV-2. В этом исследовании команда разработала зонды антисмысловых олигонуклеотидов (ASO) для нацеливания на две области N-гена. Ориентация на две области гарантирует надежность сеньора в случае, если одна область подвергается генной мутации. Кроме того, наночастицы золота (AuNP) закрыты этими одноцепочечными нуклеиновыми кислотами (оцДНК), которые представляют собой сверхчувствительный зонд для обнаружения РНК SARS-CoV-2.

Исследователи ранее показали чувствительность разработанных датчиков в своей более ранней работе, опубликованной в ACS Nano . Гибридизация вирусной РНК с этими зондами вызывает изменение электрического ответа сенсора. Колпачки AuNP ускоряют перенос электронов и при передаче через сенсорную платформу приводят к увеличению выходного сигнала и указывают на присутствие вируса.

Команда проверила работу этого датчика, используя положительные и отрицательные образцы COVID-19. Датчик показал значительное увеличение напряжения положительных образцов по сравнению с отрицательными и подтвердил наличие вирусного генетического материала менее чем за пять минут. Кроме того, датчик смог дифференцировать вирусную нагрузку РНК в этих образцах. Вирусная нагрузка — важный количественный индикатор развития инфекции, который сложно измерить с помощью существующих методов диагностики.

Эта платформа имеет далеко идущие приложения из-за ее портативности и низкой стоимости. Датчик, когда он интегрирован с микроконтроллерами и светодиодными экранами или со смартфоном через Bluetooth или Wi-Fi, может использоваться в пункте оказания медицинской помощи в кабинете врача или даже дома. Помимо COVID-19, исследовательская группа также предполагает, что систему можно будет адаптировать для обнаружения множества различных заболеваний.

«Неограниченный потенциал биоинженерии всегда вызывал у меня огромный интерес с ее инновационными приложениями для перевода», — сказал Алафиф. «Я рад видеть, что мой исследовательский проект влияет на решение реальной проблемы. Наконец, я хотел бы поблагодарить моего научного руководителя, профессора Дипанджана Пана за его бесконечную поддержку, ученого-исследователя доктора Парикшита Мойтру и исследования ассистент Кетан Дигхе за их помощь и вклад в успех этого исследования ».