Výskumníci z Paul Scherrer Institute PSI a Bazilejskej univerzity vo Švajčiarsku vyvinuli rýchly test na Covid-19. Jeho nový funkčný princíp sľubuje spoľahlivé a kvantifikovateľné výsledky týkajúce sa pacientovho ochorenia Covid-19 a jeho priebehu – ako aj dôkazy o iných ochoreniach a variantoch Covid, ktoré môžu byť prítomné. Predtým, ako sa dostane do širokého používania, však musí prejsť ďalším testovaním a optimalizáciou. Vedci informujú o ich vývoji v časopise ACS Applied Nanomaterials.
Veľkým nedostatkom rýchlych antigénových testov – ako ukázala nedávna štúdia výskumnej skupiny vedenej Heinrichom Scheiblauerom z nemeckého inštitútu Paula Ehrlicha – je ich nedostatočná spoľahlivosť. Zo 122 testovacích súprav od rôznych výrobcov, ktoré boli testované v rámci štúdie, jedna pätina zlyhala a nesplnila ani minimálnu požiadavku na identifikáciu 75 % testovaných osôb s vysokou vírusovou záťažou ako pozitívnych na koronavírus. Ďalšia nevýhoda: Testy hovoria iba o tom, či subjekt má infekciu alebo nie. Neposkytujú žiadny pohľad na priebeh infekcie alebo imunitnú reakciu testovaných osôb.
Teraz nový test vyvinutý v PSI – ktorý, antigénové testy, nedeteguje priamo na rozdiel od zložiek vírusu, ale skôr protilátky, ktoré imunitný systém produkuje v reakcii na infekciu – sľubuje, že prinesie podstatne väčšiu predikčnú schopnosť rýchleho testovania. Je rovnako lacný, rýchly a jednoduchý na použitie a možno ho použiť aj na súčasnú identifikáciu rôznych patogénov, ako sú tie, ktoré sú zodpovedné za chrípku. Ako uviedol Yasin Ekinci, vedúci Laboratória pre röntgenové nanovedy a technológie v PSI, ktorý bol zodpovedný za projekt na vývoj nového testu: „Poskytuje teda aj viac údajov ako predchádzajúce rýchle testy protilátok, ktoré sa používajú na zistenie, či už niekto mal infekciu koronavírusom.“
Ústredným stavebným kameňom testu je malá obdĺžniková doštička z obyčajného plexiskla, podobná mikroskopickému sklíčku. Pozostáva zo spodnej vrstvy s hrúbkou jeden milimeter a vrchnej vrstvy s hrúbkou 0,2 mm. Výskumníci vzorovali reliéf v spodnej časti pomocou elektrónovej lúčovej litografie – mimoriadne presného procesu na frézovanie pevných materiálov používaných napríklad pri výrobe počítačových čipov. Keď bola vzorová šablóna vyrobená týmto spôsobom, výskumníci to skombinovali s takzvanou nanotlačovou litografiou, ktorá výrazne urýchľuje proces výroby a znižuje jeho náklady.
Multifunkčná mikroštruktúra
S tenšou vrstvou plexiskla ako krytom má doska teraz tri paralelné kanály, cez ktoré môže tekutina prúdiť z jedného konca na druhý. Každý z nich je 300 mikrometrov (0,3 milimetra) široký a 3,4 mikrometra vysoký na vstupe. Na výstupe sú kanály päťkrát širšie, ale vysoké iba jeden mikrometer. Pozdĺž úseku medzi tým sa kanál zužuje na šírku len niekoľkých mikrometrov a v jednom bode je vysoký iba 0,8 mikrometra – zhruba 100-krát tenší ako ľudské vlasy.
Ako uviedol Thomas Mortelmans, doktorand na Švajčiarskom inštitúte nanovedy Bazilejskej univerzity a prvý autor štúdie: „Táto špeciálna kanálová štruktúra slúži niekoľkým účelom naraz.“ Mortelmans uskutočnil svoj výskum v laboratóriu PSI pre röntgenové nanovedy a technológie. Jednak zaisťuje silný kapilárny efekt, ako je známe pôsobenie tkanív vedenia, ktoré transportuje vodu z koreňov do korún stromov. Nie je potrebné žiadne čerpadlo. Sila je výsledkom medzipovrchového napätia medzi kvapalinou a pevným povrchom. Prakticky nasáva vodu cez úzke priechody. Presne to isté sa deje s kanálikmi v plexiskle – až na to, že namiesto vody nimi preteká kvapka krvi.
Pre test je rozhodujúci prechod, pri ktorom výška kanála klesne z 3,4 mikrometra na 0,8. V oblasti, ktorú vedci nazývajú oblasťou zachytávania, častice predtým pridané do krvi uviaznu na vopred definovaných miestach – v závislosti od toho, ktoré patogény sú prítomné v krvi. Na test, vysvetľuje Mortelmans, by subjekt išiel k lekárovi alebo do testovacieho centra. Tam sa pichnutím do prsta odoberie malá kvapka krvi, ako pri teste hladiny cukru v krvi. Do krvi sa primieša tekutina, v ktorej sú suspendované špeciálne umelé nanočastice. Ich povrch má rovnakú štruktúru ako notoricky známe spike proteíny vírusu Sars-CoV-2, ku ktorým sa pri boji s chorobou ukotvia ľudské protilátky. Okrem toho sa pridávajú malé fluorescenčné častice, ktoré sa u ľudí naviažu na protilátky proti Sars-CoV-2.
To znamená, že ak sú v testovanej krvi protilátky proti Sars-CoV-2, fluorescenčné častice sa k nim najskôr prichytia; spoločne sa potom naviažu na vírusom podobné štruktúry výrazne väčších nanočastíc a spolu s nimi uviaznu na vopred definovaných miestach zodpovedajúcich priemeru nanočastíc. Ako dodal Mortelmans: „To je miesto, kde je kanál vysoký presne 2,8 mikrometra.“ Tu sa hromadia nanočastice s ľudskými protilátkami a ich žiariacimi prílohami. Ak je platňa umiestnená pod fluorescenčným mikroskopom, svetelný signál je viditeľný. Čím viac protilátok pacient vytvoril, tým je jasnejšia; čím jasnejší je signál, tým silnejšia je imunitná reakcia. Takto sa dá jednoznačne diagnostikovať Covid-19. Ako vysvetlil Mortelmans: „Okrem toho môžete použiť silu signálu, aby ste videli, či imunitný systém reaguje dobre a možno očakávať mierny priebeh – alebo či môže reagovať prehnane, čo znamená, že existuje riziko komplikácií.“
Jeden rýchly test s mnohými možnosťami
Neexistuje žiadne riziko zablokovania kanála inými časticami v krvi. Samotné vírusy majú veľkosť len okolo 0,12 mikrometra a pretekajú bez odporu. Iba červené krvinky vedľa nanočastíc sú väčšie ako najužšia časť kanála. Ako uviedol Mortelmans: „Na začiatku nášho developerského projektu skutočne spôsobovali problémy. Ale optimalizovali sme kanál tak, aby teraz prekĺzli.” Vedci využili skutočnosť, že bunky sú flexibilné a stlačiteľné: “Kapilárna sila je teraz taká veľká, že stláča krvné bunky cez každé zúženie kanála.”
Test otvára ešte viac možností nad rámec diagnostiky Covid-19. Okrem toho by sa do krvi mohli primiešať nanočastice rôznych veľkostí a s rôznymi povrchovými štruktúrami, aby sa umožnilo simultánne testovanie na iné ochorenia. V štúdii to Mortelmans urobil pomocou častíc, ktorých povrch zodpovedá vírusom chrípky typu A. V experimentoch sa rozsvietili dve miesta v oblasti zachytávania: jedno pre Covid-19 a jedno pre chrípku.
Okrem toho je možné identifikovať rôzne protilátky, ktoré imunitný systém produkuje v rôznych štádiách ochorenia. Napríklad by sa dali použiť zelené fluorescenčné častice, ktoré sa pripájajú len k protilátkam, ktoré sa objavia v ranej fáze infekcie, a červené fluorescenčné častice na protilátky, ktoré produkuje imunitný systém v neskorších štádiách. Ako dodal Mortelmans: „Test sa dá rozšíriť mnohými spôsobmi. Bez problémov by sme mohli napríklad otestovať desať rôznych chorôb naraz a použiť aj štyri farby.“ Počet kanálov by sa samozrejme mohol zvýšiť, aby sa otestovalo ešte viac variantov. Druhý a tretí kanál sú tu v zásade len na potvrdenie výsledku prvého. Mohli by sa však použiť aj na vykonávanie rôznych testov. Ako uviedol projektový manažér Yasin Ekinci: „V princípe tu máme podobný systém ako Lego, v ktorom môžete kombinovať rôzne komponenty.“
Výskumníci začali pracovať na novom teste krátko po začiatku pandémie koronavírusu. Ako vysvetlil Ekinci: „V tom čase sme pracovali na diagnostickom teste na Parkinsonovu chorobu. Keď sa pandémia presadila, pýtali sme sa sami seba, ako by sme ako výskumný ústav mohli prispieť k jej prekonaniu.“ Vývoj však trval dlhšie, pretože test je taký nový, pretože o víruse sa na začiatku vedelo len málo a pretože bolo ťažké získať aj vzorky pacientov.
V rámci štúdie bolo zariadenie testované s 29 vzorkami krvi – 19 z nich pochádzalo od infikovaných ľudí a 10 od neinfikovaných ľudí. S výnimkou jedného falošne negatívneho prípadu bol test vždy správny. Aj to sa zistilo počas následného testu. Ako uviedol Ekinci: „Samozrejme, že musíme urobiť oveľa viac testov, aby sme urobili solídne vyhlásenie o spoľahlivosti, a stále je veľa priestoru na zlepšenie. Ale je to veľmi sľubné.“
Okrem toho by malo byť vykonanie testu ešte jednoduchšie. Ako uviedol Mortelmans: „Pracujeme na tom, aby to bolo rovnako jednoduché robiť so slinami namiesto krvi. Chceme tiež mať možnosť použiť na čítanie signálov fotoaparát mobilného telefónu namiesto mikroskopu. Moderné zariadenia to teraz dokážu.“ Takýto test v súčasnosti trvá 10 až 30 minút. Ale je tiež možné to urobiť za dve minúty; v súčasnosti sa s týmto cieľom optimalizuje. Ako dodal na záver Ekinci: „Našou víziou je technológia, pomocou ktorej dokážeme spoľahlivo, rýchlo a lacno diagnostikovať niekoľko chorôb a variantov Covidu a chrípky prostredníctvom mobilného telefónu. Náš nový koncept je schopný to urobiť skutočnosťou.“
Viac informácií:
Video o výskumných prácach na novom rýchloteste na koronavírus
(Video: Švajčiarsky inštitút pre nanovedu)
Zdroj: https://www.psi.ch, zverejnené: 27. 1. 2022, autor: rpa
