Потребность в массовом, быстром, чувствительном и экономически эффективном диагностическом тестировании значительно возросла в результате тяжелого острого респираторного синдрома коронавируса 2 (SARS-CoV-2), возбудителя коронавирусных заболеваний 2019 ( COVID-19). Широкомасштабное тестирование важно для эффективного контроля инфекций и сведения к минимуму их воздействия на экономику и общественное здоровье.

В исследовании, недавно опубликованном в журнале Small, авторы предоставляют обзор как микро-, так и наноразмерных технологий, которые продвинули диагностику вирусных заболеваний.

Исследование: микро- и наномасштаб Технологии диагностики вирусных инфекций. Изображение предоставлено: nito / Shutterstock.com

Традиционные методы диагностики вирусных заболеваний

Диагностика вирусных инфекций во многом зависит от способности измерять вирусные молекулы, такие как олигонуклеотиды или гликопротеины, в биологическом образце. Некоторые из традиционных методов, которые используются для этого, включают полимеразную цепную реакцию (ПЦР), твердофазный иммуноанализ (SPI), культивирование клеток и иммунофлуоресценцию.

Хотя эти методы являются надежными и быстрыми, они часто связаны с несколькими ограничениями, включая относительно высокую стоимость, сложность методов, необходимость в обученном персонале для проведения этих экспериментов и отсутствие высокой точности. Эти подходы также не позволяют выявить около трети респираторных вирусных инфекций, вирусного гастроэнтерита и вирусного энцефалита.

Ясно, что остается потребность в недорогих диагностических технологиях, которые были бы практичными, портативными, надежными, точными и допускающими применение в местах оказания медицинской помощи (POC). Появление микро- и наноразмерных технологий предложило потенциальное решение проблем, связанных с традиционными методами, используемыми для вирусной диагностики.

Преимущества микро- и нанотехнологий

Некоторые из ключевых преимуществ, связанных с микро- и наноразмерными технологиями, включают миниатюризацию, автоматизацию, практичность и удобство в использовании. В этих технологиях часто используются недорогие микрофлюидные каналы с высоким отношением поверхности к объему и минимальными требованиями к объему, что снижает потребление образцов и дорогостоящих реагентов. Микро- и наноразмерные технологии – это рентабельные решения, которые способны обнаруживать огромное разнообразие вирусов млекопитающих, которые, как известно, заражают людей.

На сегодняшний день микро- и наноразмерные технологии используются для улучшения всех аспектов процессов диагностики вирусных заболеваний. Сюда входят отбор проб, обработка проб, распознавание, обогащение, методы обнаружения.

Отбор проб

Различные типы образцов, полученных из человеческого тела, могут использоваться для обнаружения вирусных молекул в диагностических целях. Для большинства лабораторных тестов эти образцы включают слюну, сперму, мочу, мокроту и кал. Однако образцы также можно собирать, когда пациент подвергается хирургической процедуре и / или находится под наркозом, который включает спинномозговую, амниотическую, пуповинную или синовиальную жидкость.

Тампоны на основе пластырей с микроиглами (MN) уже несколько десятилетий используются для отбора проб. Некоторые преимущества, связанные с пластырями MN, включают большую площадь поверхности и способность глубоко проникать в кожу, что позволяет эффективно улавливать вирусы. Фактически, при использовании для ранней этиологической диагностики COVID-19 удалось избежать высоких показателей «ложноотрицательных результатов».

Несколько различных типов устройств для отбора проб выдыхаемого воздуха для обнаружения вирусов были также разработаны на основе микро- и нанотехнологий. По сравнению с предыдущими устройствами для выдоха, которые очень неудобны, эти новые устройства более удобны и поэтому могут использоваться для раннего выявления респираторных вирусных инфекций.

Микрожидкостная обработка образцов

Среди различных микро- и наноразмерных технологий, которые использовались для усовершенствования методов обнаружения вирусов, есть микрофлюидные технологии. Обработка микрожидкостных проб позволяет быстро обнаружить вирусные патогены в динамической среде.

Технологии "лаборатория на кристалле", оснащенные микрожидкостными системами, дали многообещающие результаты с точки зрения их полезности в диагностике вирусов. Каждый канал микрожидкостной системы выполняет определенную функцию, такую ​​как подготовка образца, смешивание реагентов или обнаружение, что позволяет интегрировать традиционные методы обнаружения в миниатюрный чип.

Некоторые преимущества, связанные с этим типом диагностического устройства, включают минимальные требования к объему образца и универсальность как для клинических, так и для личных целей. Кроме того, эти микрофлюидные устройства также способны отделять любые нежелательные молекулы от интересующей мишени, что позволяет легко обнаруживать вирусы в крови, слюне, мазках из носоглотки или образцах мочи.

Распознавание и обогащение биомаркеров

Поскольку многие образцы содержат низкие концентрации важных биомаркеров, используемых для подтверждения диагноза вируса, необходимы точные и надежные методы распознавания и обогащения. Поскольку вирусы представляют собой чрезвычайно маленькие организмы, размер которых может составлять от 20 до 90 нанометров (нм), для методов распознавания и обогащения очень важно иметь возможность изолировать, визуализировать и дифференцировать эти маленькие микроорганизмы от других молекул в образце.

С этой целью несколько различных наночастиц, включая квантовые точки, а также углеродные и металлические наночастицы, были использованы для различных вирусных приложений. В частности, функционализированные наночастицы, которые были конъюгированы с биомолекулами, такими как нуклеиновые кислоты, антитела или белки, увеличили специфичность методов амплификации за счет обнаружения вирусов, даже когда они присутствуют в очень низких концентрациях.

Методы обнаружения

Несколько методов обнаружения, основанных на микро- и наноразмерных технологиях, были разработаны с целью повышения чувствительности, экономической эффективности и простоты использования по сравнению с традиционными методами обнаружения.

В методах, основанных на наночастицах, например, часто используются металлические и неметаллические наночастицы в результате их полезности при обнаружении инфекционных заболеваний. Некоторые из наиболее распространенных металлических наночастиц, которые использовались для этой цели, включают наночастицы золота, серебра, оксида железа, оксида цинка и диоксида титана.

Несколько методов на основе микрочипов также использовались для обнаружения вирусов. Оптические датчики, электронные датчики, электромагнитные, пьезоэлектрические биосенсоры и биосенсоры на основе микрочипов дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) – вот некоторые из различных технологий, которые были объединены с платформами на кристалле для миниатюризации диагностических методов.

Устройства для изготовления

Некоторые из различных методов, которые использовались для производства простых в использовании и недорогих микрожидкостных устройств, включают микрообработку, фрезерование с числовым программным управлением, мягкую литографию и лазер на диоксиде углерода (CO ₂ ). резка.

Методы двумерной (2D) и трехмерной (3D) печати также использовались для ускорения производства различных устройств для диагностики вирусов. Важно отметить, что трехмерную печать можно комбинировать с другими традиционными методами производства, такими как механическая обработка, фрезерование и литография, чтобы изготавливать сложные устройства.

Дополнительные методы изготовления, которые обсуждались в связи с их полезностью при производстве микро- и наноразмерных систем для вирусной диагностики, включают трафаретную печать, ксурографию и лабораторные печатные платы (PCB).

Заключение

В целом, как микро-, так и нанотехнологии играют все более важную роль в процессах диагностики вирусов. Клиническая проверка и оптимизация этих технологий все еще необходимы, чтобы продвигать их включение как в исследования, так и в клинические приложения.