02.09.2020 - University of Illinois at Urbana-Champaign

Tragbarer Point-of-Care-COVID-19-Test könnte das Labor umgehen

Forscher entwickelten eine Mikrofluidik-Kartusche für einen 30-minütigen Test

Da sich COVID-19 immer weiter ausbreitet, haben Engpässe bei den Vorräten und beim Laborpersonal in einigen Bereichen zu langen Wartezeiten auf Ergebnisse geführt. In einer neuen Studie haben Forscher der University of Illinois, Urbana-Champaign, einen Prototyp eines molekularen Schnelltests für COVID-19 und ein einfach zu handhabendes, tragbares Instrument zum Ablesen der Ergebnisse mit einem Smartphone in 30 Minuten demonstriert, das eine Point-of-Care-Diagnose ermöglichen könnte, ohne Proben an ein Labor schicken zu müssen.

"Wenn ein solches Gerät und ein solcher Test zur Verfügung stünden, könnten wir auf COVID-19 bei öffentlichen Veranstaltungen, in Auditorien, bei großen Versammlungen und möglicherweise sogar zu Hause zum Selbsttest testen. Die Ergebnisse könnten zur Koordination an das entsprechende öffentliche Gesundheitssystem zurückgeschickt werden", sagte Rashid Bashir, Professor für Biotechnik und Dekan des Grainger College of Engineering in Illinois. Bashir leitete die Studie gemeinsam mit dem Professor für Elektro- und Computertechnik Brian Cunningham und dem Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen Bill King.

Typische Tests für SARS-CoV-2, das Virus, das COVID-19 verursacht, nehmen eine Probe von einem Patienten mit einem langen Nasen-Rachen-Abstrich, geben diesen Abstrich in eine Substanz, die als virales Transportmedium bezeichnet wird, und schicken sie an ein Labor für einen mehrstufigen Prozess der Extraktion, Isolierung und Vermehrung der verräterischen RNA im Inneren des Virus. Dieser RNA-Multiplikationsprozess, RT-PCR genannt, erfordert mehrere Temperaturschwankungszyklen, Spezialausrüstung und geschultes Personal, sagte Cunningham.

Wie in den Proceedings of the National Academy of Sciences berichtet, verwendete das Team aus Illinois ein einfacheres Verfahren zur Analyse des viralen Transportmediums, genannt LAMP, das die RNA-Extraktions- und Reinigungsschritte umgeht.

"LAMP benötigt nur eine Temperatur - 65 C - und ist daher viel einfacher zu kontrollieren", sagte der Doktorand Anurup Ganguli, der Erstautor der Studie. "Außerdem arbeitet LAMP robuster als die PCR, vor allem, wenn sich Kontaminanten in der Testprobe befinden. Wir können die Probe nur kurz erhitzen, das Virus aufbrechen und die genetische Sequenz nachweisen, die SARS-CoV-2 spezifisch identifiziert.

Die Forscher verglichen den LAMP-Assay mit der PCR, wobei zunächst synthetische Nasenflüssigkeit verwendet wurde, die mit dem Virus aufgestockt wurde, und dann mit klinischen Proben. Sie stellten fest, dass die Ergebnisse mit den PCR-Ergebnissen übereinstimmten, und sie dokumentierten die Sensitivität und Spezifität des LAMP-Tests.

Dann brachten die Forscher den LAMP-Assay auf einer kleinen 3D-gedruckten Mikrofluidikkartusche an, die zwei Eingabeschlitze für Spritzen hat: einen für die probenhaltigen viralen Transportmedien und einen für die LAMP-Chemikalien. Sobald die beiden injiziert sind, reagieren sie in der Kartusche.

"Zur Herstellung dieser Kartuschen verwenden wir moderne, schnelle Additivherstellung. Das Ganze kann schnell auf Hunderttausende von Tests hochskaliert werden", sagte King. "Das Produktions-Scale-up ist typischerweise das größte Hindernis für kommerzielle Anwendungen von Mikrofluidik-Kartuschen, und wir können dieses Hindernis mit diesem neuen Ansatz überwinden. Die moderne additive Fertigung ist elastisch und skalierbar, und sie kann im Vergleich zu älteren Fertigungstechnologien sehr schnell hochgefahren werden.

Das Team arbeitet mit Fast Radius Inc. zusammen, einem von King mitbegründeten Technologieunternehmen mit Sitz in Chicago, um die Mikrofluidik-Kartuschen herzustellen.

Die Patrone kann in ein tragbares Handgerät mit einer Heizkammer, die die Patrone für die Dauer der Reaktion auf 65 Grad Celsius erhitzt, und einer Smartphone-Halterung zum Ablesen der Ergebnisse eingesetzt werden. In etwa 30 Minuten wird ein positives Ergebnis Fluoreszenzlicht ausstrahlen.

"Das Lesegerät beleuchtet die Flüssigkeitskammern mit Licht aus blauen LEDs, während die nach hinten gerichtete Kamera des Telefons einen Film des erzeugten grünen Fluoreszenzlichts aufzeichnet", sagte Cunningham.

Die Forscher führten das tragbare Gerät mit zusätzlichen klinischen Proben vor und stellten fest, dass die Ergebnisse mit denen des Standard-PCR-Laborverfahrens übereinstimmten.

Die Forscher untersuchen, ob der Test mit Speichelproben funktionieren würde, um die Notwendigkeit von Nasen-Rachen-Abstrichen zu eliminieren, und sammeln weitere Patientendaten, während sie die nächsten Schritte für behördliche Zulassungen erwägen, sagte Bashir.

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