Naukowcy z Uniwersytetu Stanowego Arizony (Arizona State University) opracowali nowe narzędzie diagnostyczne, które może zrewolucjonizować sposób szybkiego i niezawodnego wykrywania chorób takich jak COVID-19, Ebola, AIDS czy borelioza. Test wymaga zaledwie jednej kropli krwi, kosztuje zaledwie kilka dolarów i dostarcza wynik w ciągu 15 minut.
W nowym badaniu badacze wykazali, że test potrafi z dużą precyzją wykrywać wirusa SARS-CoV-2, jednoznacznie odróżniając go od innych infekcji.
Nowe urządzenie diagnostyczne, nazwane NasRED (ang. Nanoparticle-Supported Rapid Electronic Detection), jest na tyle proste i przenośne, że można je stosować praktycznie wszędzie – od odległych wiejskich przychodni po duże szpitale miejskie. Urządzenie zapewnia precyzję porównywalną z laboratorium, nie wymagając kosztownego sprzętu ani specjalistycznego przeszkolenia, co czyni je potencjalnym przełomem w zdrowiu publicznym.
– Nasz test łączy szybkość i prostotę testów antygenowych z czułością, która przewyższa nawet metody laboratoryjne – mówi Chao Wang, główny autor badania. – To bardzo trudne do osiągnięcia.
Wang jest profesorem nadzwyczajnym w Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics oraz w School of Electrical, Computer and Energy Engineering na ASU. Współautorami publikacji są Yeji Choi, Seyedsina Mirjalili, Ashif Ikbal, Sean McClure, Maziyar Kalateh Mohammadi, Scott Clemens, Jose Solano, John Heggland, Tingting Zhang i Jiawei Zuo.
Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie ACS Nano.
Zatrzymać rozprzestrzenianie się chorób zakaźnych
Choroby zakaźne to jedno z największych zagrożeń dla zdrowia publicznego, prowadzące do ogromnych strat zdrowotnych i ekonomicznych. Co roku odpowiadają za ponad 10 milionów zgonów na całym świecie i stanowią główną przyczynę śmierci w krajach o niskich dochodach.
Według czasopisma BMJ Quality & Safety prawie 800 tysięcy Amerykanów każdego roku umiera lub doznaje trwałego uszczerbku na zdrowiu wskutek błędów diagnostycznych. Wiele z tych przypadków dotyczy infekcji lub incydentów naczyniowych, które można by skutecznie leczyć, gdyby zostały odpowiednio wcześnie wykryte.
W krajach o niskim i średnim dochodzie dostęp do dokładnych testów diagnostycznych jest bardzo ograniczony. Koszty sprzętu, brak wykwalifikowanego personelu i długi czas oczekiwania na wyniki przyczyniają się do opóźnień w diagnozie, co może mieć tragiczne skutki.
Szybki, niedrogi i przenośny test, taki jak NasRED, może umożliwić pracownikom ochrony zdrowia na całym świecie wcześniejsze wykrywanie infekcji i szybsze reagowanie, zanim dojdzie do wybuchu epidemii.
– W wielu miejscach, również w USA, choroby się rozprzestrzeniają, ale ludzie często się nie badają – zauważa Wang. – Idealnie byłoby testować regularnie, by wyłapywać infekcje we wczesnej fazie. Na przykład osoby przyjmujące narkotyki dożylnie są w grupie ryzyka HIV czy HCV, ale często mieszkają na ulicy i są trudne do objęcia opieką. Jeśli nie testujemy ich systematycznie, możemy przegapić moment na interwencję – aż do momentu wystąpienia poważnych powikłań, takich jak nowotwory czy marskość wątroby.
Nanocząstki złota i wykrywanie chorób
Sercem nowego testu są maleńkie nanocząstki złota zaprojektowane do wykrywania bardzo małych ilości białek charakterystycznych dla chorób. Badacze pokrywają te cząstki specjalnie dobranymi cząsteczkami, które rozpoznają konkretne patogeny.
Niektóre nanocząstki zawierają przeciwciała – cząsteczki działające jak magnesy, które wiążą się z białkami wirusów lub bakterii obecnych w organizmie. Inne zawierają antygeny – fragmenty białek pochodzące bezpośrednio z patogenów – które przyciągają przeciwciała wytworzone przez układ odpornościowy.
Po zmieszaniu z próbką płynu ustrojowego, np. krwi, śliny lub wydzieliny z nosa, nanocząstki opadają na dno probówki, jeśli wykryją obecność choroby. Jeśli choroby nie ma, cząstki pozostają równomiernie rozproszone w cieczy.
Urządzenie NasRED przepuszcza przez próbkę wiązkę światła LED i za pomocą specjalnego detektora mierzy ilość światła przechodzącego przez ciecz. Im więcej światła przechodzi – tym jaśniejszy jest roztwór – co oznacza obecność choroby.
Czułość, dostępność, niski koszt
Test jest tak czuły, że potrafi wykryć chorobę nawet wtedy, gdy w próbce znajduje się jedynie kilkaset cząsteczek – to stężenie aż 100 000 razy niższe niż wymagane w standardowych testach laboratoryjnych.
NasRED jest nie tylko czuły, ale też tani i prosty w obsłudze. W przeciwieństwie do technik takich jak PCR czy ELISA, które wymagają drogich urządzeń i wykwalifikowanego personelu, NasRED to kompaktowe urządzenie, którego koszt pojedynczego testu wynosi około 2 dolarów. Nadaje się więc idealnie do zastosowań w warunkach polowych i ubogich regionach.
NasRED może wypełnić krytyczną lukę diagnostyczną, zwłaszcza w przypadku chorób trudnych do wczesnego wykrycia, takich jak wirusowe zapalenie wątroby typu C, HIV czy borelioza. Ma także potencjał do szybkiego reagowania w przypadku nowych, rzadkich, ale groźnych zakażeń.
Obecnie NasRED wymaga jeszcze niewielkich urządzeń do mieszania i wirowania próbek, ale naukowcy pracują nad dalszą miniaturyzacją i automatyzacją systemu, by w przyszłości stworzyć test możliwy do stosowania w domu – równie wygodny jak szybkie testy na COVID-19, ale o znacznie większej czułości.
Przełom w diagnostyce
NasRED przewyższa dotychczasowe standardy. Badanie wykazało, że test jest około 3000 razy bardziej czuły niż ELISA, wymaga 16 razy mniejszej objętości próbki i daje wynik 30 razy szybciej.
Wcześniejsze wersje technologii były wykorzystywane do wykrywania wirusa Ebola w niewielkich próbkach krwi. – W nowym rozwiązaniu zdołaliśmy osiągnąć czułość na poziomie attomoli – mówi Wang. – To jak wykrycie jednej kropli atramentu w objętości 20 olimpijskich basenach.
Technologia pozwala na wykrycie wirusów bez potrzeby skomplikowanego przygotowania próbki, jak w przypadku PCR. Wstępne testy z cząstkami koronawirusa pokazały, że NasRED osiąga czułość porównywalną z popularnym testem molekularnym Abbott ID NOW.
– Jedną z największych zalet naszej platformy jest jej modułowość – mówi Wang. – Dzięki budowie nanocząstek możemy łatwo wymieniać wykrywające białka i dostosowywać platformę do różnych chorób. Pokazaliśmy to w badaniach nad toksynami Shiga, biomarkerami nowotworowymi, białkami związanymi z chorobą Alzheimera, boreliozą i afrykańskim pomorem świń.
Wang, laureat nagrody Emerging Leader przyznawanej przez Bay Area Lyme Foundation, planuje wykorzystać tę technologię do wczesnego wykrywania boreliozy.
Z biegiem czasu technologia może znaleźć zastosowanie nie tylko w infekcjach, ale także w diagnostyce nowotworów, monitorowaniu chorób przewlekłych czy nadzorze zagrożeń epidemiologicznych.
Źródło: ACS Nano, Nanoparticle-Supported, Rapid, and Electronic Detection of SARS-CoV-2 Antibodies and Antigens at the Subfemtomolar Level
DOI: http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.5c12083
