Сенсор для обнаружения COVID-19, разработанный в Университете Джона Хопкинса, может произвести революцию в тестировании вирусов, обеспечивая точность и скорость тестирования.
В исследовании, опубликованном в журнале Biosensors and Bioelectronics, ученые описывают новый сенсор, который не нуждается в подготовке образца и требует минимальной квалификации оператора, что дает значительное преимущество перед существующими методами тестирования, особенно для популяционных исследований.
"Техника проста: помещаем каплю слюны в наше устройство и получаем отрицательный или положительный результат", - рассказывает Ишан Барман, старший автор исследования. "Главная новизна заключается в том, что это безмаркерная технология, что означает отсутствие необходимости в дополнительных химических модификациях, таких как молекулярная маркировка или функционализация антител. Это означает, что датчик в конечном итоге может быть использован в носимых устройствах".
Барман говорит, что их новая технология, которая пока не доступна на рынке, устраняет ограничения двух наиболее широко используемых типов тестов COVID-19: ПЦР и экспресс-тесты. ПЦР-тесты отличаются высокой точностью, но требуют сложной подготовки образца, а обработка результатов в лаборатории занимает несколько часов. С другой стороны, экспресс-тесты, которые проверяют наличие антигенов, менее успешны в выявлении ранних инфекций и бессимптомных случаев, и могут приводить к ошибочным результатам.
Сенсор почти так же чувствителен, как тест ПЦР, и так же удобен, как экспресс-тест на антигены. В ходе первоначальных испытаний датчик продемонстрировал 92% точность обнаружения SARS-COV-2 в образцах слюны, что сопоставимо с результатами ПЦР-тестов. Сенсор также показал высокие результаты при быстром определении присутствия других вирусов, включая H1N1 и Зика. Технология основана на нанопечатной литографии, спектроскопии комбинационного рассеяния света (SERS) и машинном обучении. Сенсор может быть использован для массового тестирования в формате одноразовых чипов, на жестких или гибких подложках.
Ключевым элементом метода является гибкая матрица из металлического изолятора (FEMIA) большой площади, усиливающая сигнал. Образец слюны помещается на материал и анализируется с помощью усиленной рамановской спектроскопии, которая использует лазерное излучение для изучения колебаний молекул исследуемого образца. Поскольку наноструктурированный FEMIA значительно усиливает рамановский сигнал вируса, система может быстро обнаружить присутствие вируса, даже если в образце имеются лишь его следовые количества. Другим важным новшеством системы является использование передовых алгоритмов машинного обучения для обнаружения едва уловимых признаков в спектроскопических данных, которые позволяют исследователям точно определить наличие и концентрацию вируса.
"Оптическая детекция в сочетании с машинным обучением позволяет нам получить единую платформу, которая может тестировать на широкий спектр вирусов с повышенной чувствительностью и селективностью, причем очень быстро", - говорит Барман. Сенсоры могут быть размещены на любом типе поверхности, от дверных ручек и входов в здания до масок и текстиля.
"Используя современные технологии изготовления наноимпринтов и трансферной печати, мы реализовали высокоточное, настраиваемое и масштабируемое нанопроизводство как жестких, так и гибких подложек для датчиков COVID, что важно для будущего применения не только в биосенсорах на чипах, но и в носимых устройствах", - отметил Барман. По его словам, датчик потенциально может быть интегрирован в портативные устройства для быстрого скрининга в местах скопления людей, таких как аэропорты или стадионы.
"Наша платформа не ограничивается текущей пандемией COVID-19", - говорит Барман. "Мы можем использовать ее для широкого тестирования против различных вирусов, например, для дифференциации между SARS-CoV-2 и H1N1 и даже их вариантами. Это важный вопрос, который не может быть решен с помощью существующих экспресс-тестов".
Авторы продолжают работу над дальнейшим развитием и тестированием технологии на образцах пациентов. Johns Hopkins Technology Ventures подала заявку на получение патентов на связанную с ней интеллектуальную собственность, и рассматривает возможности лицензирования и коммерциализации.
