Новый, улучшенный экспресс-тест на коронавирус

Исследователи из Института Пауля Шеррера (PSI) и Базельского университета разработали экспресс-тест на COVID-19. Его новый функциональный принцип обещает надежные и количественные результаты о заболевании COVID-19 у пациента и его течении, а также данные о других заболеваниях и возможных вариантах COVID. Однако перед широким применением тест должен пройти дополнительные испытания и оптимизацию. Исследователи сообщают о своей разработке в журнале ACS Applied Nanomaterials.

Новый тест, разработанный в PSI, в отличие от антигенных тестов, обнаруживает не компоненты вируса, а антитела, которые иммунная система вырабатывает в ответ на инфекцию. Он обещает значительно большую прогностическую силу при экспресс-тестировании. Он так же недорог, быстр и прост в использовании, а также может одновременно выявлять различные патогены, например, вызывающие грипп. «Таким образом, он также предоставляет больше данных, чем предыдущие быстрые тесты на антитела, которые используются для определения, был ли у кого-то коронавирус», — говорит Ясин Экинчи, руководитель проекта.

Многофункциональная микроструктура

Центральный элемент теста — небольшая прямоугольная пластина из обычного плексигласа. Она состоит из нижнего слоя толщиной 1 мм и верхнего слоя толщиной 0,2 мм. Исследователи создали рельеф в нижней части с помощью электронно-лучевой литографии, а затем использовали наноимпринтную литографию для ускорения и удешевления производства.

Пластина имеет три параллельных канала, по которым жидкость может течь. Каждый из них имеет ширину 300 микрометров (0,3 мм) и высоту 3,4 микрометра на входе. На выходе каналы в пять раз шире, но высотой всего 1 микрометр. На одном участке канал сужается до нескольких микрометров в ширину, а в одной точке его высота составляет всего 0,8 микрометра — примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса.

Эта особая структура канала служит нескольким целям. Она обеспечивает сильный капиллярный эффект, буквально «всасывая» каплю крови через узкие проходы без насоса. В так называемой области захвата частицы, добавленные в кровь, застревают в заранее заданных местах — в зависимости от того, какие патогены присутствуют в крови.

Принцип работы

Для теста у пациента берут каплю крови из пальца. В нее добавляют жидкость со взвесью специальных искусственных наночастиц, поверхность которых имеет ту же структуру, что и печально известные спайк-белки вируса SARS-CoV-2. Также добавляют небольшие флуоресцентные частицы, которые прикрепляются к антителам против SARS-CoV-2 у человека.

Если в исследуемой крови есть антитела, флуоресцентные частицы прикрепляются к ним, а затем вся связка (антитело + флуоресцентная метка) присоединяется к вирусоподобным структурам более крупных наночастиц. Вместе они застревают в предопределенных местах, где высота канала составляет ровно 2,8 микрометра. Здесь наночастицы накапливаются вместе с присоединенными человеческими антителами и их светящимися метками.

Если пластину поместить под флуоресцентный микроскоп, виден световой сигнал. Чем больше антител образовал пациент, тем он ярче; чем четче сигнал, тем сильнее иммунная реакция. Так можно четко диагностировать COVID-19. «Кроме того, по силе сигнала можно увидеть, хорошо ли реагирует иммунная система и можно ожидать легкого течения, или же она, возможно, чрезмерно реагирует, что означает риск осложнений», — объясняет Томас Мортелманс, первый автор исследования.

Много возможностей в одном тесте

Тест открывает еще больше возможностей помимо диагностики COVID-19. Можно смешивать с кровью наночастицы разных размеров и с разной структурой поверхности для одновременного тестирования на другие заболевания. В исследовании Мортелманс использовал частицы, поверхность которых соответствует вирусам гриппа A. В экспериментах в области захвата светились два пятна: одно для COVID-19, другое для гриппа.

Кроме того, можно идентифицировать разные антитела, которые иммунная система вырабатывает на разных стадиях заболевания. Например, можно использовать зеленые флуоресцентные частицы, которые прикрепляются только к антителам ранней фазы инфекции, и красные — для антител более поздних стадий.

«Тест можно расширить множеством способов, — говорит Мортелманс. — Мы могли бы, например, без проблем протестировать десять разных заболеваний одновременно и использовать четыре цвета». Количество каналов также можно увеличить. «В принципе, у нас здесь система, похожая на Lego, в которой можно комбинировать разные компоненты», — говорит руководитель проекта Ясин Экинчи.

Текущее состояние и перспективы

В исследовании устройство было протестировано на 29 образцах крови — 19 от инфицированных людей и 10 от неинфицированных. За исключением одного ложноотрицательного случая, тест всегда был точен. «Конечно, нам нужно провести гораздо больше тестирований, чтобы сделать твердое заявление о надежности, и есть еще много возможностей для улучшения. Но это очень многообещающе», — говорит Экинчи.

Кроме того, тест должен стать еще проще в использовании. «Мы работаем над тем, чтобы его можно было так же легко проводить с помощью слюны вместо крови», — сообщает Мортелманс. «Мы также хотим иметь возможность использовать камеру мобильного телефона вместо микроскопа для считывания сигналов. Современные устройства уже способны на это».

В настоящее время такой тест занимает от 10 до 30 минут, но его можно провести и за две минуты; сейчас он оптимизируется с этой целью. «Наше видение — технология, с помощью которой мы можем одновременно диагностировать несколько заболеваний и вариантов COVID и гриппа надежно, быстро и недорого с помощью мобильного телефона. Наша новая концепция способна сделать это реальностью», — говорит Экинчи.