Графеновый сенсор позволил сделать экспресс-тест на COVID-19
California Institute of Technology
Ученые создали биосенсор на основе графена для экспресс-теста на COVID-19. Такой тест можно будет сделать самостоятельно на дому и получить результат меньше чем за десять минут. Работа опубликована в журнале Matter.
О наличии вируса и его влиянии на организм можно судить по разным биомаркерам. Например, результатом ответа иммунной системы на антиген вируса служат антитела, причем для каждого типа вируса организм вырабатывает специфичные антитела. В зависимости от стадии заболевания, это могут быть иммуноглобулин G (IgG) или иммуноглобулин M (IgM). Другие маркеры — нуклеокапсидный белок, который играет роль в сборке новых вирусных частиц и С-реактивный белок, который показывает тяжесть заболевания. В настоящее время существует множество методов для обнаружения этих маркеров, один из которых — электрохимический.
Электрохимический способ детектирования молекул позволяет определять их концентрацию по изменению протекающего между электродами тока. Один из электродов (рабочий) выполняет роль подложки для сборки биологической структуры, которая взаимодействует с детектируемыми маркерами. В зависимости от концентрации маркера, который связался со структурой меняется сопротивление, а значит и ток между электродами. Анализ этих важных биологических частей структуры, которые называются функциональными, может быть разных типов — прямым (с использование одного антитела), непрямым (используются два антитела, одно из которых меченое), типа «сэндвич» (белок, который нужно зарегистрировать находится между двумя антителами).
Структура сенсора, слева - для регистрации С-реактивного и нуклеокапсидного белков, справа - антител.
Rebeca M. Torrente-Rodríguez et al. / Matter, 2020
Команда ученых из Калифорнийского технологического института под руководством Вэй Гао (Wei Gao) разработала и изготовила электрохимический мультисенсор, который одновременно может измерять четыре маркера — IgG, IgM, C-реактивный и нуклеокапсидный белки. Внимание в своем исследования авторы сфокусировали на детектировании вируса SARS-CoV-2.
Расположение катодов на сенсоре
Rebeca M. Torrente-Rodríguez et al. / Matter, 2020
Мультисенсор состоит из четырех отдельных рабочих площадок-электродов и общего электрода, который опоясывает эти площадки. Вся функциональная структура сенсора находится на рабочих графеновых электродах и состоит из линкера, антител и меченых антител. Линкер необходим для стабилизации поверхности графена, и соединения с антителом или другим белком. Для регистрации С-реактивного и нуклеокапсидного белков, авторы пришивали к линкеру антитело, которое специфично связывалось с нужным белком, а потом сверху добавляли еще одно меченое антитело для усиления сигнала.
Такая структура называется «сэндвич» и обладает высокой чувствительностью из-за наличия двух антител. Структура для детектирования IgG и IgM выглядит проще и состоит из кусочка самого вируса SARS-CoV-2, с которым связывается антитело, и меченого антитела. Из-за наличия второго антитела, такая структура называется непрямой.
Результаты экспериментов на реальных биологических жидкостях. Изменение тока через катоды для (a) здорового и (b) заболевшего испытуемых. (c) гистограммы сравнения здоровых и заболевших для каждого типа маркера. (d), (e) сравнение результатов для плазмы крови и слюны, (f) связь уровня С-реактивного белка с тяжестью заболевания.
Rebeca M. Torrente-Rodríguez et al. / Matter, 2020
В поисках лучшей конфигурации для измерения всех четырех маркеров, ученые тестировали разные линкеры и типы функциональных структур и показали, что выбранный набор оптимален с точки зрения чувствительности и специфичности. Они протестировали сенсор для других похожих вирусов SARS-CoV и MERS-CoV, чтобы показать его специфичность к SARS-CoV-2.
Помимо измерений разбавленных в буферном растворе маркеров, авторы протестировали сенсор на реальных биологических жидкостях — плазме крови и слюне. Результаты для плазмы оказались более контрастными, но в обоих случаях они смогли достоверно определить наличие вируса и оценить тяжесть заболевания.
Наличие доступных и чувствительных экспресс-тестов на COVID-19 может значительно упросить жизнь в период пандемии и помочь в борьбе с ней. Для этого можно использовать не только сенсоры или другие разработки, но и, к примеру, собак. Немецкие ученые уже проводят исследования и тренируют собак находить COVID-19 по запаху.
Оксана Борзенкова
