新型、更好的冠状病毒快速检测方法

托马斯·莫尔特曼斯(Thomas Mortelmans)在PSI开发了一种Sars-CoV-2感染的快速测试方法。
资料来源:Paul Scherrer研究所/Mahir Dzambegovic

保罗谢勒研究所PSI和巴塞尔大学的研究人员开发了一种Covid-19的快速测试方法。它新颖的功能原理保证了关于Covid-19患者疾病及其病程的可靠和可量化的结果-以及可能存在的其他疾病和Covid变异的证据。然而,在广泛使用之前,它还必须经过进一步的测试和优化。研究人员在杂志上报告了他们的发展ACS应用纳米材料

德国保罗·埃尔利希研究所(Paul Ehrlich Institute)的海因里希·谢布劳尔(Heinrich Scheiblauer)领导的一个研究小组最近的一项研究表明,快速抗原检测的一个主要缺点是缺乏可靠性。在为这项研究检测的122个来自不同制造商的检测试剂盒中,有五分之一没有通过,甚至没有达到将75%携带高病毒载量的检测对象确定为冠状病毒阳性的最低要求。另一个缺点是:这些测试只能说明受试者是否受到感染。它们没有提供任何关于感染过程或测试对象的免疫反应的见解。

现在在PSI中开发的新测试 - 与抗原测试不同,不直接检测病毒的组分,而是免疫系统响应于感染的抗体产生的抗体为快速测试带来基本上更预测的权力。它与廉价,快速且易于使用,它也可用于同时识别各种病原体,例如负责流感的病原体。因此,它还提供比以前的快速抗体测试更多的数据,用于确定有人是否已经有冠状病毒感染,“PSI的X射线纳米科学和技术部门负责人的X射线纳米科学和技术负责人yasin ekinci说该项目开发新测试。

测试的中央积木是普通有机玻璃的小矩形板,类似于显微镜载玻片。它由一个毫米厚的下层组成,上层厚度为0.2毫米。研究人员使用电子束光刻在下部进行了浮雕 - 一种极其精确的铣削固体材料的方法,例如,在制造计算机芯片中。一旦通过这种方式生产了主模板,研究人员将其与所谓的纳米压印光刻结合在一起,这显着加速了制造过程并降低了成本。

多功能显微组织

用较薄的有机玻璃层作为覆盖层,平板现在有三个平行的通道,液体可以从一端流向另一端。每一个都是300微米(0.3毫米)宽和3.4微米高的入口。在出口,渠道是五倍宽,但只有一微米高。沿着这两个通道之间的一段距离,通道会缩小到只有几微米宽,在某一点上,它只有0.8微米高——大约是人类头发的100倍细。

“这种特殊的通道结构同时满足多个目的,”巴塞尔大学瑞士纳米科学研究所的博士生、该研究的第一作者Thomas Mortelmans说。Mortelmans在PSI的x射线纳米科学与技术实验室进行了他的研究。首先,它确保了强大的毛细管效应,就像我们所熟悉的将水从树根输送到树冠的导管组织的作用一样。不需要泵。该力是由液体和固体表面之间的界面张力产生的。它实际上是通过狭窄的通道吸水。有机玻璃中的通道也发生了同样的事情——只不过流过的不是水,而是一滴血。

对测试至关重要的是一种通道,通道的高度从3.4微米降至0.8。在研究人员称之为捕获区域的内容中,先前添加到血液中的颗粒在预定的位置卡住 - 取决于血液中存在的病原体。对于测试,迫害者解释说,一个受试者会去看医生或测试中心。在那里,用手指刺了一滴血液,如血糖测试中。将特殊的人造纳米颗粒被悬浮的液体混合到血液中。它们的表面具有与SARS-COV-2病毒的臭名昭着的穗蛋白相同的结构,人类抗体在战斗疾病时码头。此外,添加小荧光颗粒,其将自己附着在人类中的SARS-COV-2抗体。

这意味着,如果被检测的血液中有针对SarsCoV-2的抗体,荧光粒子首先会附着在抗体上;然后它们一起结合到大得多的纳米粒子的类病毒结构上,并与它们一起粘在与纳米粒子直径相对应的预定位置上。Mortelmans说:“这就是水道高度正好为2.8微米的地方。”纳米粒子在这里聚集,与人类抗体和它们发光的附属体连接在一起。如果将平板置于荧光显微镜下,就可以看到光信号。患者产生的抗体越多,它就越亮;信号越清晰,免疫反应越强。只有这样,Covid-19才能得到明确诊断。Mortelmans解释说:“此外,你可以使用信号的强度来观察免疫系统是否反应良好,是否可以预期一个温和的过程,或者它是否可能反应过度,这意味着有并发症的风险。”

一个有很多可能性的快速测试

这条通道没有被血液中的其他颗粒堵塞的风险。这些病毒本身只有大约0.12微米大小,在没有抵抗力的情况下通过。只有靠近纳米粒子的红细胞比通道最窄的部分大。Mortelmans说:“在我们开发项目的一开始,它们确实造成了问题。“但我们已经优化了渠道,现在他们可以溜过去了。”研究人员利用了细胞具有弹性和可压缩性这一事实:“现在毛细血管的压力是如此之大,以至于它可以挤压血细胞通过通道的每一个狭窄处。”

除了诊断Covid-19外,该测试还开辟了更多的可能性。此外,不同大小和不同表面结构的纳米颗粒可以混合到血液中,使其他疾病的同时检测成为可能。在这项研究中,Mortelmans使用了表面与A型流感病毒相对应的颗粒。在实验中,捕获区域的两个点亮了:一个是Covid-19,一个是流感。

此外,有可能识别出免疫系统在疾病的不同阶段产生的不同抗体。例如,可以使用绿色荧光颗粒,它只附着在感染早期出现的抗体上,而红色荧光颗粒用于免疫系统在感染后期产生的抗体。Mortelmans说:“这项测试可以以多种方式扩展。”“例如,我们可以同时测试10种不同的疾病,而不会出现任何问题,而且还可以使用4种颜色。”当然,频道的数量也可以增加,以测试更多的变体。原则上,第二和第三通道的存在只是为了确认第一通道的结果。然而,它们也可以用来进行不同的测试。“原则上,我们这里有一个类似乐高的系统,你可以把不同的组件组合在一起,”项目经理亚辛·埃辛奇(Yasin Ekinci)说。

在冠状病毒大流行开始后不久,研究人员就开始了他们的新测试工作。“当时我们正在研究帕金森症的诊断测试,”Ekinci说。“当大流行流行起来时,我们问自己,作为一个研究机构,我们如何才能为战胜它作出贡献。”然而,研发过程花了更长的时间,因为这种检测方法太新颖了,因为一开始人们对这种病毒知之甚少,而且患者的样本也很难获得。

在这项研究中,该设备用29份血样进行了测试,其中19份来自受感染者,10份来自未受感染者。除了一个假阴性的情况,测试总是正确的。在后续的测试中也发现了这一点。“当然,我们需要做更多的测试,以确定可靠性,而且还有很多改进的空间。但这是非常有希望的,”Ekinci说。

此外,测试应该变得更容易进行。Mortelmans报告说:“我们正在努力使唾液而不是血液更容易做到。”“我们还希望能够使用手机摄像头而不是显微镜来读取信号。现代设备现在可以做到这一点。”这样的测试目前需要10到30分钟。但也有可能在两分钟内完成;它目前正在为此目标进行优化。“我们的愿景是一种技术,”Ekinci说,“利用这种技术,我们可以通过手机可靠、快速、廉价地同时诊断多种疾病以及新冠病毒和流感的变体。”我们的新概念能够让这成为现实。”

文字:Jan Berndorff

视频:https://youtu.be/7VKskNZCoMc

关于ψ

Paul Scherrer Institute PSI开发,建造和运营大型,复杂的研究设施,使其提供给国家和国际研究界。该研究所自己的主要研究优先事项在物质和材料,能源和环境和人类健康领域。PSI致力于培训后代。因此,我们工作人员的四分之一是文档后,毕业后或学徒。完全psi雇用了2100人,因此是瑞士最大的研究所。年度预算金额约为4亿瑞士法郎。PSI是ETH领域的一部分,其他成员是两位瑞士联邦技术研究院,ETH苏黎世和EPFL洛桑,以及EGAG(瑞士联邦水生科技学院),EMPA(瑞士联邦实验室为材料科学和技术)和WSL(瑞士联邦森林,雪和景观研究所)。

联系
亚辛Ekinci博士
x射线纳米科学技术实验室主任
Paul Scherrer Institute 5232 Villigen Psi,瑞士
电话:+41 56 310 28 24,电子邮件:yasin.ekinci@psi.ch(德语、英语)

托马斯Mortelmans
博士研究生X射线纳米科学和技术的实验室
Paul Scherrer Institute 5232 Villigen Psi,瑞士
电话:+41 56 310 31 54,电子邮件:thomas.mortelmans@psi.ch(德语、英语)

原始出版物

聚甲基丙烯酸甲酯纳米流控仪用于Sars-CoV血清学抗体快速多路检测-2

Thomas Mortelmans, Dimitrios Kazazis, Celestino Padeste, Philipp Berger, Xiaodan Li, Yasin Ekinci

应用纳米材料5。Januar 2022(在线)

DOI: 10.1021 / acsanm.1c03309

应用纳米材料
DOI:10.1021 / acsanm.1c03309
研究方法:实验研究
研究对象:不适用
文章标题:基于聚甲基丙烯酸甲酯的纳米流体装置用于Sars-CoV 2的快速多重血清学抗体检测
文章出版日期:2022年1月5日

媒体接触

塞巴斯蒂安·朱迪斯
保罗谢勒研究所
sebastian.jutzi@psi.ch
办公室:0041-563-102-940

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