Платформа мультиплексированного электрохимического датчика позволяет одновременно обнаруживать РНК SARS-CoV-2 и антитела хозяина

Платформа мультиплексированного электрохимического датчика позволяет одновременно обнаруживать РНК SARS-CoV-2 и антитела хозяина

Ученые из Великобритании и США разработали платформу мультиплексного электрохимического сенсора с противообрастающим нанокомпозитным покрытием, которая может одновременно обнаруживать РНК коронавируса 2 (SARS-CoV-2) и вирусспецифические антитела при остром респираторном синдроме. Платформа показала 100% точность в обнаружении вирусной РНК и IgG-специфических антител к SARS-CoV-2. В настоящее время исследование доступно на сервере препринтов medRxiv *.

Справочная информация

Крупномасштабное введение вакцины против коронавирусной болезни 2019 (COVID-19) вместе с быстрым и точным выявлением острой инфекции SARS-CoV-2 являются ключевыми мерами, которые необходимо принять для контроля траектории пандемии. В то время как обнаружение вирусной РНК в респираторных образцах на основе обратной транскрипционной полимеразной цепной реакции (ОТ-ПЦР) считается наиболее точным методом диагностики COVID-19, серологическое тестирование на антитела является наиболее подходящей платформой для выявления предыдущей инфекции SARS-CoV-2. а также эффективность вакцины.

В текущем исследовании ученые разработали портативное диагностическое устройство на основе электрохимического сенсора, которое может одновременно обнаруживать вирусную РНК и вирусспецифические антитела.

Платформа электрохимического датчика

Ученые разработали мультиплексную платформу электрохимического сенсора, которая сочетает в себе молекулярное обнаружение нуклеиновых кислот SARS-CoV-2 (вирусной РНК) на основе CRISPR / Cas и мультиплексированное серологическое обнаружение антител против трех белков SARS-CoV-2, включая спайковый рецептор. -связывающий домен (RBD), спайковая субъединица S1 и нуклеокапсидный белок.

<img alt=" Схематические и репрезентативные необработанные данные циклической вольтамперометрии мультиплексного серологического анализа. (а) Схема, иллюстрирующая мультиплексный электрохимический серологический анализ для оценки ответов антител хозяина на электродах, функционализированных антигенами SARS-CoV-2. Антитела хозяина связываются с антигенами SARS-CoV-2, иммобилизованными на чипах. Затем связываются биотинилированные вторичные антитела против человеческого IgG с последующим связыванием поли-HRP-стрептавидина и осаждением TMB на чипах. (be) типичные циклические вольтамперограммы для четырех различных электродов, нацеленных на антитела хозяина против (b) субъединицы Spike 1 (S1), (c) домена связывания рецептора Spike 1 (S1-RBD), (d) нуклеокапсида (N) и (e) Отрицательный контроль BSA с положительными (красный, синий) и отрицательными (оранжевый и черный) образцами для IgG и IgM, соответственно. "height =" 1061 "src =" https://d2jx2rerrg6sh3.cloudfront.net/image-handler /picture/2021/9/d7v1.jpg "title =" Схематические и репрезентативные необработанные данные циклической вольтамперометрии мультиплексированного серологического анализа. (а) Схема, иллюстрирующая мультиплексный электрохимический серологический анализ для оценки ответов антител хозяина на электродах, функционализированных антигенами SARS-CoV-2. Антитела хозяина связываются с антигенами SARS-CoV-2, иммобилизованными на чипах. Затем связываются биотинилированные вторичные антитела против человеческого IgG с последующим связыванием поли-HRP-стрептавидина и осаждением TMB на чипах. (be) типичные циклические вольтамперограммы для четырех различных электродов, нацеленных на антитела хозяина против (b) субъединицы Spike 1 (S1), (c) домена связывания рецептора Spike 1 (S1-RBD), (d) нуклеокапсида (N) и (e) Отрицательный контроль BSA с положительными (красный, синий) и отрицательными (оранжевый и черный) образцами для IgG и IgM, соответственно. "width =" 975 "/> ]

Схематические и репрезентативные необработанные данные циклической вольтамперометрии мультиплексированного серологического анализа. (а) Схема, иллюстрирующая мультиплексный электрохимический серологический анализ для оценки ответов антител хозяина на электродах, функционализированных антигенами SARS-CoV-2. Антитела хозяина связываются с антигенами SARS-CoV-2, иммобилизованными на чипах. Затем связываются биотинилированные вторичные антитела против человеческого IgG с последующим связыванием поли-HRP-стрептавидина и осаждением TMB на чипах. (be) типичные циклические вольтамперограммы для четырех различных электродов, нацеленных на антитела хозяина против (b) субъединицы Spike 1 (S1), (c) домена связывания рецептора Spike 1 (S1-RBD), (d) нуклеокапсида (N) и (e) Отрицательный контроль BSA с положительными (красный, синий) и отрицательными (оранжевый и черный) образцами для IgG и IgM, соответственно.

Хотя электрохимические сенсоры, интегрированные с биологическими зондами, являются высокоэффективными и сверхчувствительными платформами для одновременного обнаружения вирусных нуклеиновых кислот и белков, одним из основных недостатков является накопление отходов биологических образцов на поверхности сенсора. Такое биообрастание может значительно снизить чувствительность и специфичность датчика за счет изменения химического состава поверхности и снижения мощности сигнала. Чтобы преодолеть это ограничение, ученые покрыли датчик (золотой чип) нанокомпозитом против обрастания, состоящим из сшитого глутаральдегидом бычьего сывороточного альбумина, покрытого проводящим восстановленным оксидом графена. После нанесения покрытия на поверхность золотые стружки были активированы химическими соединениями, а на поверхности электрода были нанесены зонды захвата.

<img alt=" Схематические и репрезентативные необработанные данные циклической вольтамперометрии мультиплексного серологического анализа. (а) Схема, иллюстрирующая мультиплексный электрохимический серологический анализ для оценки ответов антител хозяина на электродах, функционализированных антигенами SARS-CoV-2. Антитела хозяина связываются с антигенами SARS-CoV-2, иммобилизованными на чипах. Затем связываются биотинилированные вторичные антитела против человеческого IgG с последующим связыванием поли-HRP-стрептавидина и осаждением TMB на чипах. (be) Типичные циклические вольтамперограммы для четырех различных электродов, нацеленных на антитела хозяина против (b) субъединицы Spike 1 (S1), (c) Спайк-1-рецептор-связывающего домена (S1-RBD), (d) нуклеокапсида (N) и (e) Отрицательный контроль BSA с положительным (красный, синий) и отрицательным (оранжевый и черный) образцами для IgG и IgM, соответственно. "height =" 776 "src =" https://d2jx2rerrg6sh3.cloudfront.net/image-handler /picture/2021/9/d337v1.jpg "title =" Схематические и репрезентативные необработанные данные циклической вольтамперометрии мультиплексированного серологического анализа. (а) Схема, иллюстрирующая мультиплексный электрохимический серологический анализ для оценки ответов антител хозяина на электродах, функционализированных антигенами SARS-CoV-2. Антитела хозяина связываются с антигенами SARS-CoV-2, иммобилизованными на чипах. Затем связываются биотинилированные вторичные антитела против человеческого IgG с последующим связыванием поли-HRP-стрептавидина и осаждением TMB на чипах. (be) Типичные циклические вольтамперограммы для четырех различных электродов, нацеленных на антитела хозяина против (b) субъединицы Spike 1 (S1), (c) Спайк-1-рецептор-связывающего домена (S1-RBD), (d) нуклеокапсида (N) и (e) Отрицательный контроль BSA с положительным (красный, синий) и отрицательным (оранжевый и черный) образцами для IgG и IgM, соответственно. "width =" 975 "/>

Схематические и репрезентативные необработанные данные циклической вольтамперометрии мультиплексированного серологического анализа. (а) Схема, иллюстрирующая мультиплексный электрохимический серологический анализ для оценки ответов антител хозяина на электродах, функционализированных антигенами SARS-CoV-2. Антитела хозяина связываются с антигенами SARS-CoV-2, иммобилизованными на чипах. Затем связываются биотинилированные вторичные антитела против человеческого IgG с последующим связыванием поли-HRP-стрептавидина и осаждением TMB на чипах. (be) Типичные циклические вольтамперограммы для четырех различных электродов, нацеленных на антитела хозяина против (b) субъединицы Spike 1 (S1), (c) Спайк-1-рецептор-связывающего домена (S1-RBD), (d) нуклеокапсида (N) и (e) Отрицательный контроль BSA с положительными (красный, синий) и отрицательными (оранжевый и черный) образцами для IgG и IgM, соответственно.

Они интегрировали анализ на основе CRISPR / Cas в электрохимический сенсор путем частичной гибридизации биотинилированного одноцепочечного ДНК-репортерного зонда с пептидными зондами захвата нуклеиновых кислот, которые были иммобилизованы на поверхности сенсора.

Для разработки мультиплексной серологической платформы они сначала выполнили иммуноферментный анализ (ELISA) для оптимизации трех первичных вирусных антигенов, которые индуцируют антитела во время инфекции SARS-CoV-2. Эти антигены представляли собой спайковый RBD, спайковый S1-субъединицу и нуклеокапсидный белок. Впоследствии они функционализировали каждый золотой электрод индивидуально этими оптимизированными вирусными антигенами, чтобы разработать платформу мультиплексных серологических электрохимических сенсоров.

Важные наблюдения

Ученые провели серию экспериментов, чтобы подтвердить диагностическую эффективность и точность платформы мультиплексных электрохимических датчиков.

РНК, выделенная из 19 образцов слюны пациентов, инфицированных SARS-CoV-2, была использована для анализа на основе CRISPR / Cas. В качестве контроля РНК экстрагировали из одиннадцати ОТ-ПЦР-отрицательных образцов слюны. Результаты показали, что платформа на основе CRISPR / Cas выявляет вирусную РНК со 100% точностью и что существует значительная корреляция между обнаружением вирусной РНК на основе CRISPR / Cas и RT-PCR.

Аналогичным образом, тестирование 58 вирус-положительных образцов плазмы и 54 вирус-отрицательных образцов плазмы с использованием серологической электрохимической сенсорной платформы показало 100% чувствительность и специфичность против IgG-специфических антител к SARS-CoV-2 и 94% специфичность и 82 % чувствительности для IgM-специфических антител к SARS-CoV-2. Точность тестирования была наивысшей для антител против спайков RBD, за которыми следовали антитела против нуклеокапсида и анти-S1.

Подтверждение мультиплексного анализа на основе CRISPR и серологического анализа

Ученые модифицировали каждый электрод одним из трех протестированных антигенов для одновременного обнаружения вирусной РНК и антител на одном чипе. Они провели валидационные эксперименты с использованием клинических образцов слюны, поскольку она является богатым источником как вирусной РНК, так и противовирусных антител хозяина.

Они добавили в образцы слюны, инактивированной нагреванием, образцы плазмы, инфицированной SARS-CoV-2, чтобы стимулировать соотношение антител IgG в слюне по сравнению с сывороткой человека. Затем они разделили каждый образец слюны с добавлением плазмы на две части для одновременного обнаружения вирусной РНК и противовирусных антител.

Результаты показали, что один электрохимический сенсорный чип с несколькими электродами обладает 100% чувствительностью и специфичностью для обнаружения вирусной РНК и антител хозяина в течение короткого периода времени (30 минут). Более того, платформа требовала очень небольшого объема выборки для считывания.

Значение исследования

В исследовании описывается разработка и валидация универсальной, экономичной платформы электрохимического датчика, которая сочетает в себе обнаружение вирусной РНК на основе CRISPR и обнаружение антител хозяина на основе серологического анализа. Диагностические характеристики платформы эквивалентны традиционным лабораторным методам.

* Важное примечание

medRxiv публикует предварительные научные отчеты, которые не рецензируются и, следовательно, не должны рассматриваться как окончательные, руководящие клинической практикой / поведением, связанным со здоровьем, или рассматриваться как установленная информация.

Source link

Related Articles.