Přenosný test detekuje infekce z jedné kapky krve za 15 minut

Vědci na Arizonské státní univerzitě vyvinuli průlomový diagnostický nástroj, který by mohl transformovat, jak rychle a spolehlivě detekujeme nemoci, jako je Covid-19, Ebola, AIDS nebo Lyme Disease. Test používá pouze jednu kapku krve, stojí pár dolarů a přináší výsledky za pouhých 15 minut.

V nové studii vědci ukazují, že test může detekovat virus, který způsobuje CoVID-19 s přesností přesnost a jasně jej odlišuje od jiných infekcí. Výzkum se objeví v časopise ACS Nano.

Nové diagnostické zařízení, zvané Nasred (rychlá elektronická detekce podporovaná nanočásticemi), je dostatečně jednoduché a přenosné, aby bylo možné použít téměř kdekoli-od vzdálených venkovských klinik po rušné městské nemocnice. Tento nástroj poskytuje přesnost kvality laboratoře bez drahého vybavení a nevyžaduje specializované školení, což mu dává potenciál stát se měničem her v oblasti veřejného zdraví.

„Máme rychlost a snadné použití rychlého antigenového testu s citlivostí, která je ještě lepší než laboratorní testy,“ říká Chao Wang, hlavní autor nové studie. „To je velmi obtížné dosáhnout.“

Wang je docentem ve středisku BiodeSign Centre for Molecular Design and Biomimetics a ASU School of Electrical, Computer and Energy Engineering.

Zastavení šíření infekčních chorob

Infekční choroby jsou jednou z nejsmrtelnějších hrozeb lidstva, která po celém světě způsobuje nesmírné utrpení a ekonomické škody. Společně infekční nemoci způsobují každý rok více než 10 milionů úmrtí po celém světě a jsou hlavní příčinou úmrtí v zemích s nízkými příjmy.

Téměř 800 000 Američanů zemře nebo je podle studie zveřejněné v diagnostické chybě trvale postiženo Kvalita a bezpečnost BMJ. Mnoho z těchto případů zahrnuje infekce nebo vaskulární příhody, které by mohly být léčitelné, pokud by byly zachyceny brzy.

V mnoha zemích s nízkými a středními příjmy je přístup ke spolehlivému diagnostickému testování omezený nebo neexistující. Drahé vybavení, nedostatek vyškoleného personálu a časy dlouhého obratu přispívají ke zpožděným nebo zmeškaným diagnózám – často s smrtícími důsledky.

Rychlý, cenově dostupný a přenosný test, jako je Nasred, by umožnil frontovým zdravotnickým pracovníkům po celém světě detekovat infekce brzy a reagovat před vypuknutí spirály mimo kontrolu.

„V mnoha částech světa, včetně USA, se nemoci šíří, ale lidé se často netestují – dokonce i pro něco jako HIV. V ideálním případě byste je chtěli pravidelně testovat, abyste zachytili infekce brzy,“ říká Wang.

„Například lidé, kteří užívají injekční léky, jsou vystaveni vyššímu riziku HIV nebo HCV, ale mohou žít v ulicích a těžko se dostane. Pokud je v průběhu času neustále testujeme, můžeme si vynechat šanci zasáhnout – dokud se rozvinou vážné komplikace, jako je rakovina nebo onemocnění jater, když je mnohem těžší léčit.“

Pozoruhodné diagnostické zlato

Jádrem nového testu jsou malé zlaté nanočástice, navržené tak, aby detekovaly extrémně malé množství proteinů souvisejících s onemocněním. Vědci tyto nanočástice natahují speciální molekuly určené k detekci specifických onemocnění.

Některé nanočástice nesou protilátky, malé molekuly, které působí jako magnety. Protilátky se drží proteinů uvolňovaných viry nebo bakteriemi, když infikují tělo. Jiné nanočástice nesou antigeny, fragmenty proteinů odebraných přímo z virů nebo samotných bakterií. Tyto přirozeně přitahují protilátky produkované tělem k boji proti infekcím.

Po potažení jsou tyto nanočástice kombinovány s malým vzorkem tělesné tekutiny, jako je kapka krve, slin nebo nosní tekutina. Pokud je onemocnění přítomno, většina nanočástic se potopí na dno trubice. Pokud nedojde k onemocnění, zůstanou během kapaliny zavěšeny.

Nasred zařízení svítí malý paprsek LED světla přes kapalinu v horní části trubice. Tým vytvořil vlastní elektronický detektor, který snímá, kolik světla se dostane do trubice. Více světla znamená, že nanočástice se potopily dolů, takže horní tekutina čistila, což znamená, že je onemocnění přítomno.

Přesné, přístupné a cenově dostupné

Zařízení je tak citlivé, že dokáže detekovat onemocnění, i když je v malém vzorku tekutiny přítomno jen několik set molekul – jen zlomek jedné kapky. Jedná se o koncentraci téměř 100 000krát nižší než to, co vyžadují standardní laboratorní testy.

Přispívání k jeho slibu je Nasred přenositelnost a dostupnost. Současné zlaté standardy pro testování, jako je PCR nebo ELISA, vyžadují drahé vybavení a vyškolené techniky. Nasred je kompaktní a uživatelsky přívětivý. Vědci odhadují, že každý test stojí 2 $, což je ideální pro použití na nízkých zdrojích nebo vzdálených místech.

Nasred má potenciál zaplnit kritickou diagnostickou mezeru, zejména u nemocí, které je obtížné detekovat včas, jako je hepatitida C, HIV nebo Lymeova choroba. Je také slibné pro vznikající ohniska s nízkou prevalencí, ale vysokým rizikem.

Taková onemocnění často nejsou diagnostikována, protože provádění laboratorního testu pouze pro jednoho nebo dva pacienty není nákladově efektivní. Nasred mosty, které mezerují tím, že nabízí vysoce citlivý test, který funguje okamžitě a ekonomicky v okamžiku péče.

Zatímco Nasred v současné době vyžaduje malé stroje na benchtop pro točení a míchání vzorků, vědci pracují na další miniaturizaci a automatizaci procesu. S pokračujícím vývojem by se tato technologie mohla jednoho dne stát pohodlným domácím testem, podobným stávajícím testům rychlých Covid-19. Měl by však nesmírně lepší citlivost a širší aplikace.

Významný skok vpřed v diagnostice

Nasred dramaticky překonává existující diagnostické standardy. Nová studie ukazuje, že Nasred je zhruba 3 000krát citlivější než ELISA, vyžaduje 16krát menší objem vzorku a přináší výsledky přibližně 30krát rychlejší.

An dřívější verze technologie detekovala Ebola v malém vzorku krve. „Pro novou technologii jsme tlačili citlivost na Attomolar Range,“ říká Wang. To je jako detekce jediné kapky inkoustu ve 20 olympijských bazénech.

Tato technologie má příslib pro detekci virových zátěží přímo z tělesných tekutin bez komplikovaného přípravy vzorku používaného v metodách na bázi PCR. V předběžných testech se skutečnými částicemi koronaviru Nasred dosáhl senzitivity srovnatelné s Abbott ID Now, populární molekulární test pro mnoho onemocnění, jako je Covid-19.

„Jednou ze silných stránek našeho senzoru je, že je to vysoce modulární,“ říká Wang. „Nanočástice jsou navrženy tak, abychom mohli snadno vyměnit různé proteiny, což umožňuje přizpůsobit se stejné platformě pro mnoho různých onemocnění. Tento přístup jsme již prokázali v našem výzkumu o Shiga toxin, které produkují E. coli, stejně jako biomarkery rakoviny, proteiny související s African a africké swine horečky.“

Wang nedávno obdržel cenu Bay Area Lyme Foundation Emerging Leader Award a využije vysokou citlivost a přenositelnost této nové technologie k detekci včasné infekce Lyme.

Jak se technologie vyvíjí, její řada aplikací může přesahovat infekční onemocnění. Včasná detekce rakovin, sledování chronických onemocnění v reálném čase a zlepšené dohled nad hrozbami veřejného zdraví je na dosah.