Используя специальные углеродные нанотрубки, инженеры Массачусетского технологического института разработали новый датчик, который может обнаруживать SARS-CoV-2 без каких-либо антител, давая результат в течение нескольких минут. Их новый датчик основан на технологии, которая может быстро производить быструю и точную диагностику не только для Covid-19, но и для будущих пандемий, говорят исследователи.

«Экспресс-тест означает, что вы можете начать путешествие намного раньше в случае будущей пандемии. Вы можете проверять людей, выходящих из самолета, и определять, следует ли им помещать в карантин или нет. Вы можете аналогичным образом проверять людей, входящих на их рабочее место. и так далее », говорит Майкл Страно, профессор химической инженерии Карбон П. Дуббс в Массачусетском технологическом институте и старший автор исследования. «У нас пока нет технологии, которая позволила бы разработать и развернуть такие датчики достаточно быстро, чтобы предотвратить экономические потери».

Диагностика основана на сенсорной технологии из углеродных нанотрубок, которую ранее разработала лаборатория Страно. Как только исследователи начали работать над датчиком Covid-19, им потребовалось всего 10 дней, чтобы идентифицировать модифицированную углеродную нанотрубку, способную выборочно обнаруживать вирусные белки, которые они искали, а затем протестировать ее и включить в рабочий прототип. Этот подход также устраняет необходимость в антителах или других реагентах, создание, очистка и широкое распространение которых требует много времени.

Постдок MIT Суён Чо и аспирант Сяоцзя Цзинь – ведущие авторы статьи, которая сегодня публикуется в Analytical Chemistry . Среди других авторов – аспиранты Массачусетского технологического института Сунгюн Ян и Цзяньцяо Цуй, а также постдок Сюнь Гун.

Молекулярное распознавание

Несколько лет назад лаборатория Страно разработала новый подход к разработке сенсоров для различных молекул. Их метод основан на углеродных нанотрубках -; полые цилиндры нанометровой толщины из углерода, которые естественным образом флуоресцируют при воздействии лазерного света. Они показали, что, оборачивая такие трубки различными полимерами, они могут создавать сенсоры, которые реагируют на определенные целевые молекулы, химически распознавая их.

Их подход, известный как молекулярное распознавание фазы короны (CoPhMoRe), использует феномен, который возникает, когда определенные типы полимеров связываются с наночастицей. Эти молекулы, известные как амфифильные полимеры, имеют гидрофобные области, которые фиксируются на трубках, как якоря, и гидрофильные области, которые образуют серию петель, отходящих от трубок.

Эти петли образуют слой, называемый короной, окружающий нанотрубку. В зависимости от расположения петель, различные типы молекул-мишеней могут вклиниваться в промежутки между петлями, и это связывание мишени изменяет интенсивность или длину волны пика флуоресценции, создаваемой углеродной нанотрубкой.

Ранее в этом году компании Strano и InnoTech Precision Medicine, базирующаяся в Бостоне разработчик диагностических средств, получили грант Национального института здравоохранения на создание датчика CoPhMoRe для белков SARS-CoV-2. Исследователи из лаборатории Страно уже разработали стратегии, которые позволяют им предсказать, какие амфифильные полимеры будут лучше всего взаимодействовать с конкретной молекулой-мишенью, поэтому они смогли быстро создать набор из 11 сильных кандидатов на SARS-CoV-2.

Примерно через 10 дней после начала проекта исследователи определили точные сенсоры как для нуклеокапсида, так и для шипового белка вируса SARS-CoV-2. За это время они также смогли включить датчики в прототип устройства с оптоволоконным наконечником, который может обнаруживать изменения флуоресценции образца биожидкости в режиме реального времени. Это избавляет от необходимости отправлять образец в лабораторию, которая требуется для золотого стандарта диагностического ПЦР-теста на Covid-19.

Это устройство дает результат в течение примерно пяти минут и может обнаруживать концентрации всего 2,4 пикограмма вирусного белка на миллилитр образца. В более поздних экспериментах, проведенных после того, как эта статья была представлена, исследователи достигли предела обнаружения ниже, чем коммерчески доступные быстрые тесты

.

Исследователи также показали, что устройство может обнаруживать нуклеокапсидный белок SARS-CoV-2 (но не спайковый белок), когда он растворяется в слюне. Обнаружить вирусные белки в слюне обычно сложно, потому что слюна содержит липкие углеводы и молекулы пищеварительных ферментов, которые мешают обнаружению белков, поэтому для большинства диагностических исследований Covid-19 требуются мазки из носа.

«Этот датчик показывает самый высокий предел обнаружения, время отклика и совместимость с слюной даже без каких-либо антител и рецепторов», – говорит Чо. «Уникальной особенностью этого типа схемы молекулярного распознавания является то, что возможно быстрое проектирование и тестирование, не ограниченное временем разработки и требованиями цепочки поставок обычных антител или ферментных рецепторов».

Быстрый ответ

Скорость, с которой исследователи смогли разработать рабочий прототип, предполагает, что этот подход может оказаться полезным для более быстрой разработки диагностических средств во время будущих пандемий, говорит Страно.

«Мы можем перейти от того, кто передает нам вирусные маркеры, к работающему оптоволоконному датчику за очень короткое время», он говорит.

Датчики, которые используют антитела для обнаружения вирусных белков, которые составляют основу многих доступных в настоящее время быстрых тестов на Covid-19, требуют гораздо больше времени для разработки, потому что процесс создания правильных белковых антител занимает очень много времени.

Исследователи подали заявку на патент на технологию в надежде, что ее можно будет коммерциализировать для использования в качестве диагностики Covid-19. Страна также надеется на дальнейшее развитие технологии, чтобы ее можно было быстро развернуть в ответ на будущие пандемии.

Исследование финансировалось за счет гранта Национального института здравоохранения по ускоренной диагностике (RADx).

Источник: https://www.mit.edu/[19459007visible