Programmierte magnetische Nanokügelchen in Kombination mit einem handelsüblichen Mobiltelefon und einem Plug-in-Diagnosetool können COVID-19 in 55 Minuten oder weniger diagnostizieren, berichten Forscher. (Bildnachweis: Jeff Fitlow/Rice)
Mithilfe programmierter magnetischer Nanokügelchen kann ein Diagnosetool, das an ein Standardtelefon angeschlossen wird, COVID-19 innerhalb von 55 Minuten oder weniger diagnostizieren.
Der briefmarkengroße Mikrofluidik-Chip misst die Konzentration des SARS-CoV-2-Nukleokapsid-Proteins (N) im Blutserum anhand eines herkömmlichen Fingerstichs. Die Nanokügelchen binden an das SARS-CoV-2-N-Protein, einen Biomarker für COVID-19, im Chip und transportieren es zu einem elektrochemischen Sensor, der kleinste Mengen des Biomarkers erkennt.
Die Forscher sagen, ihr Verfahren vereinfacht die Probenhandhabung im Vergleich zu Tupfer-basierten PCR-Tests die häufig zur Diagnose von COVID-19 verwendet werden und in einem Labor analysiert werden müssen.
„Das Tolle an diesem Gerät ist, dass es kein Labor benötigt“, sagt Peter Lillehoj, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Rice University. „Der gesamte Test und die Ergebnisse können direkt an der Entnahmestelle, in einer Klinik oder sogar in einer Apotheke durchgeführt werden. Das gesamte System ist leicht transportierbar und einfach zu bedienen.“
Die Forschung in der Fachzeitschrift erscheint ACS-Sensoren.
Lillehoj und der Doktorand und Hauptautor Jiran Li nutzten vorhandene Biosensor-Tools und kombinierten sie mit ihren eigenen Erfahrungen bei der Entwicklung einfacher Diagnoseverfahren, wie beispielsweise einem im letzten Jahr eingeführten Mikronadelpflaster zur Diagnose Malaria.
Das neue Gerät basiert auf einem etwas komplexeren Nachweisverfahren, liefert aber in kurzer Zeit präzise, quantitative Ergebnisse. Für den Test des Geräts nutzte das Labor Serumspenden von gesunden und COVID-19-positiven Personen.
Laut Lillehoj führt eine längere Inkubation bei Verwendung von Vollserum zu genaueren Ergebnissen. Das Labor stellte fest, dass 55 Minuten eine optimale Zeitspanne für den Mikrochip sind, um SARS-CoV-2-N-Protein in Konzentrationen von nur 50 Pikogramm (Milliardstel Gramm) pro Milliliter im Vollserum zu erkennen. Der Mikrochip konnte N-Protein in noch niedrigeren Konzentrationen, nämlich 10 Pikogramm pro Milliliter, in nur 25 Minuten nachweisen, indem er das Serum fünffach verdünnte.
In Verbindung mit einem Google Pixel 2-Telefon und einem Plug-in-Potentiostaten könnte das Gerät bereits bei einer Konzentration von nur 230 Pikogramm Vollserum eine positive Diagnose liefern.
„Es gibt Standardverfahren, um die Kügelchen mit einem Antikörper zu modifizieren, der auf einen bestimmten Biomarker abzielt“, sagt Lillehoj. „Kombiniert man sie mit einer Probe, die den Biomarker enthält, in diesem Fall das SARS-CoV-2-N-Protein, verbinden sie sich.“
Über ein Kapillarröhrchen wird die Probe auf den Chip geleitet, der dann auf einen Magneten gesetzt wird, der die Kügelchen zu einem elektrochemischen Sensor zieht, der mit Antikörpern beschichtet ist. Die Kügelchen binden an die Antikörper. Antikörper und erzeugen einen Strom, der proportional zur Konzentration des Biomarkers in der Probe ist.
Der Potentiostat liest diesen Strom und sendet ein Signal an seine Telefon-App. Wenn keine COVID-19-Biomarker vorhanden sind, binden die Perlen nicht an den Sensor und werden im Chip weggespült.
Laut Lillehoj dürfte es für die Industrie kein Problem sein, die Mikrofluidik-Chips herzustellen oder sie an neue COVID-19-Stämme anzupassen, falls dies erforderlich sein sollte.
Über die Autoren
Die National Institutes of Health, die National Science Foundation und der COVID-19 Research Fund der Rice University unterstützten die Forschung. -
