Бумажный электрохимический сенсор может обнаружить COVID-19 менее чем за пять минут

По мере продолжения пандемии COVID-19 тестирование остается ключевой стратегией отслеживания и сдерживания вируса. Аспирант по биоинженерии Маха Алафиф совместно разработал быстрый ультрачувствительный тест с использованием бумажного электрохимического сенсора, который может обнаружить присутствие вируса менее чем за пять минут. Команда под руководством профессора Дипанджана Пан сообщила о своих результатах в ACS Nano.

Существуют две широкие категории тестов на COVID-19. Первая использует ПЦР в реальном времени с обратной транскриптазой (RT-PCR) и стратегии гибридизации нуклеиновых кислот для идентификации вирусной РНК. Недостатки включают время выполнения теста, необходимость в специализированном персонале и доступность оборудования и реагентов.

Вторая категория тестов фокусируется на обнаружении антител. Однако может быть задержка от нескольких дней до недель после контакта с вирусом, прежде чем у человека выработаются обнаруживаемые антитела.

В последние годы исследователи добились успеха в создании биосенсоров для диагностики у постели больного с использованием 2D-наноматериалов, таких как графен. Основные преимущества графеновых биосенсоров — их чувствительность, низкая стоимость производства и быстрое время обнаружения.

Команда создала электрохимический биосенсор на основе графена с электрической системой считывания для селективного обнаружения генетического материала SARS-CoV-2.

Биосенсор состоит из двух компонентов: платформы для измерения электрического сигнала и зондов для обнаружения вирусной РНК. Для создания платформы исследователи сначала покрыли фильтровальную бумагу слоем нанопластинок графена, чтобы создать проводящую пленку. Затем они поместили золотой электрод с заданной конструкцией поверх графена в качестве контактной площадки для электрического считывания. И золото, и графен обладают высокой чувствительностью и проводимостью, что делает эту платформу ультрачувствительной к изменениям электрических сигналов.

Современные тесты на COVID-19 на основе РНК выявляют наличие N-гена (нуклеокапсидного фосфопротеина) вируса SARS-CoV-2. В этом исследовании команда разработала зонды из антисмысловых олигонуклеотидов (ASO) для нацеливания на два региона N-гена. Нацеливание на два региона обеспечивает надежность сенсора на случай мутации в одном из них. Кроме того, наночастицы золота (AuNP) покрыты этими одноцепочечными ДНК (ssDNA), что представляет собой ультрачувствительный сенсорный зонд для РНК SARS-CoV-2.

Гибридизация вирусной РНК с этими зондами вызывает изменение электрического отклика сенсора. Покрытие из AuNP ускоряет перенос электронов, и при передаче сигнала через сенсорную платформу это приводит к увеличению выходного сигнала, что указывает на присутствие вируса.

Команда протестировала работу сенсора, используя положительные и отрицательные образцы на COVID-19. Сенсор показал значительное увеличение напряжения в положительных образцах по сравнению с отрицательными и подтвердил наличие вирусного генетического материала менее чем за пять минут. Более того, сенсор смог дифференцировать вирусную нагрузку РНК в этих образцах. Вирусная нагрузка является важным количественным показателем прогрессирования инфекции, и ее измерение с помощью существующих диагностических методов представляет сложность.

Эта платформа имеет широкие перспективы применения благодаря своей портативности и низкой стоимости. Сенсор, интегрированный с микроконтроллерами и LED-экранами или со смартфоном через Bluetooth или Wi-Fi, может использоваться для диагностики у постели больного в кабинете врача или даже дома. Помимо COVID-19, исследовательская группа также предвидит возможность адаптации системы для обнаружения многих других заболеваний.