Glassy Carbon Electrode-Integrated Microfluidic CD Platform for Point-of-Care Detection of SARS-CoV-2 Spike Protein and Prostate-Specific Antigen

In de moderne wereld van de geneeskunde is het vermogen om ziekten snel en nauwkeurig buiten een ziekenhuis te diagnosticeren een cruciaal doel. Decennialang hebben artsen vertrouwd op grote, stationaire machines om bloedmonsters te analyseren, een proces dat vaak vereist dat monsters naar een centraal laboratorium worden verzonden en dat men dagen moet wachten op de resultaten. Deze vertraging kan gevaarlijk zijn wanneer tijd van essentieel belang is, zoals tijdens een virale uitbraak of bij het monitoren van een langzaam groeiende ziekte. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers zich gericht op microfluidica, een vakgebied dat gewijd is aan het manipuleren van minuscule hoeveelheden vloeistof op een kleine chip. Stel je een laboratorium voor dat is gekrompen tot de grootte van een muntstuk, waarbij pompen, mengers en sensoren direct in het oppervlak zijn ingebouwd. Wanneer deze chips worden gecombineerd met een draaiende beweging, vergelijkbaar met hoe een platenspeler werkt, kunnen ze centrifugale kracht gebruiken om bloedcomponenten te scheiden zonder externe buizen of elektrische pompen nodig te hebben. Deze aanpak, bekend als een "lab-on-a-disc", belooft de kracht van een volledig laboratorium naar een dokterspraktijk of een afgelegen dorp te brengen, mits de sensoren binnenin gevoelig genoeg zijn om de zwakke signalen van ziekte te detecteren.

Voortbouwend op dit concept hebben onderzoekers Naresh Mandal en Bidhan Pramanick een nieuw diagnostisch hulpmiddel ontwikkeld dat deze draaiende microfluidische technologie combineert met een zeer gevoelig type elektrische sensor. Hun werk, dat gedetailleerd is beschreven in een recente studie, richt zich op het creëren van een apparaat dat in staat is om twee zeer verschillende gezondheidsbedreigingen tegelijkertijd te detecteren: het spike-eiwit van het SARS-CoV-2-virus, dat COVID-19 veroorzaakt, en het prostaatspecifiek antigeen, een marker voor prostaatkanker. De kern van hun uitvinding is een piepkleine elektrode gemaakt van glasachtig koolstof, een materiaal dat bekend staat om zijn stabiliteit en het vermogen om elektriciteit efficiënt te geleiden. In tegen tegenstelling tot traditionele sensoren die complexe chemische labels kunnen vereisen om te gloeien of van kleur te veranderen, werkt dit apparaat door te meten hoe gemakkelijk elektriciteit over het oppervlak stroomt. Wanneer een specifieke ziektemarker aan de sensor bindt, fungeert deze als een minuscule barrière die de elektrische stroom vertraagt. Door deze verandering te meten, kan het apparaat de aanwezigheid van het virus of de kankermarker met extreme precisie identificeren.

De onderzoekers hebben deze sensoren geconstrueerd met behulp van een proces dat bestaat uit het verbranden van een speciale plastic film in een gecontroleerde, zuurstofvrije omgeving. Deze techniek, genaamd pyrolyse, transformeert het plastic in een solide, glasachtige koolstofstructuur met een microscopische textuur die perfect is voor het vangen van ziektemarkers. Vervolgens hebben ze deze koolstofoppervlakken gecoat met antilichamen, wat eiwitten zijn die ontworpen zijn om als moleculaire magneten te fungeren, die alleen plakken aan het specifieke doelwit waar ze naar op zoek zijn. Voor één set sensoren gebruikten ze antilichamen die binden aan het SARS-CoV-2 spike-eiwit; voor een andere set gebruikten ze antilichamen die binden aan het prostaatspecifiek antigeen. Om ervoor te zorgen dat het apparaat betrouwbaar werkt, voegden ze ook een laag bovine serumalbumine toe, een veelvoorkomend eiwit dat wordt gebruikt om plakkerige plekken op de sensor te blokkeren die het verkeerde dingen zouden kunnen vangen, wat garandeert dat alleen de beoogde doelwitten worden gedetecteerd.

De ware innovatie ligt in de manier waarop deze sensoren worden geïntegreerd in een draaiende schijf van helder plastic. Het team heeft een microfluidisch kanaalsysteem ontworpen waarmee een druppel volbloed op de schijf geplaatst kan worden. Terwijl de schijf draait, duwt de centrifugale kracht de zwaardere rode bloedcellen naar de buitenrand, terwijl het lichtere plasma, dat de ziektemarkers bevat, dichter bij het centrum blijft. Deze scheiding vindt automatisch plaats, zonder menselijke tussenkomst of externe pompen. Het gescheiden plasma stroomt vervolgens over de glasachtige koolstofsensoren die in de schijf zijn ingebed. Omdat de sensoren zo gevoelig zijn, kunnen ze het SARS-CoV-2 spike-eiwit detecteren bij concentraties zo laag als 0,9844 fg/mL en het prostaatspecifiek antigeen bij 0,9682 pg/mL. Deze getallen vertegenwoordigen ongelooflijk kleine hoeveelheden, ver onder wat veel standaardtests kunnen zien, waardoor detectie van ziekten in een zeer vroeg stadium mogelijk is.

De studie toont aan dat dit systeem de elektrische respons van de sensoren kan meten terwijl het bloedplasma over hen heen stroomt, wat een duidelijk signaal geeft wanneer de doelwitteiwitten aanwezig zijn. De onderzoekers hebben het apparaat getest over een breed bereik van concentraties, van de kleinste sporen tot veel hogere niveaus, en ontdekten dat de respons consistent en lineair was. Dit betekent dat het apparaat niet alleen de aanwezigheid van een marker detecteert, maar ook kan kwantificeren hoeveel er aanwezig is, wat essentieel is voor het monitoren van het verloop van een infectie of kanker. De gehele opstelling is zelfvoorzienend en vereist geen externe energiebronnen voor de beweging van de vloeistof, wat het een ideale kandidaat maakt voor point-of-care gebruik op plaatsen waar elektriciteit of geavanceerde laboratoriumapparatuur schaars is.

Ho[wel de huidige werkzaamheden zich richten op de fabricage en het testen van het apparaat met voorbereide monsters, de resultaten suggereren een krachtig pad vooruit voor gedecentraliseerde gezondheidszorg. De combinatie van een robuuste koolstofsensor en een eenvoudige, draaiende schijf creëert een platform dat goedkoop, draagbaar en in staat is om meerdere tests tegelijkertijd uit te voeren. De onderzoekers merken op dat de volgende stappen zullen bestaan uit het testen van het apparaat met echte patiëntenbloedmonsters om de prestaties in een klinische setting te bevestigen. Door te bewijzen dat een dergelijke gevoelige, tweeledige detector gebouwd en bediend kan worden op een kleine schijf, biedt dit werk een tastbare oplossing voor het brengen van geavanceerde diagnostische mogelijkheden naar de meest afgelegen en hulpbron-beperkte gebieden van de wereld.