Разработка платформы обнаружения SARS-CoV-2 с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния света с усилением поверхности

В настоящее время в центре внимания борьбы с тяжелым острым респираторным синдромом, вызванным коронавирусом 2 (SARS-CoV-2), является вакцинация. Однако быстрая диагностика вариантов остается центральным элементом стратегии общественного здравоохранения для будущих вариантов. В связи с заметной эволюцией вируса во множество вызывающих беспокойство вариантов (ЛОС), вызывающих инфекцию во всем мире, существует потребность в быстрой, недорогой, широко распространяемой диагностической платформе без этикеток с высокой степенью чувствительности для управления нынешними и будущими эпидемиями. .

Стадион: Обнаружение SARS-CoV-2 без этикеток на гибких подложках. Кредит изображения: Катерина Кон / Shutterstock

фон

Различные ограничения ограничивают широко доступные адаптивные методы тестирования SARS-CoV-2. Несмотря на высокую точность, RT-qPCR и CRISPR являются медленными и трудоемкими тестами, надежность которых зависит от обработки, хранения, транспортировки и опыта оператора. Более того, их расширение ограничено проблемами глобального предложения из-за огромного спроса на праймеры для ПЦР.

ELISA (иммуноферментный анализ) и иммуноанализ латерального потока, выявляющий антитела, соответствующие специфическим противовирусным препаратам, таким как спайк SARS-CoV-1 или нуклеопротеин, имеют низкую чувствительность. Они требуют тщательной подготовки проб в зависимости от стадии заражения и в 5-11% случаев создают риск получения ложноположительных результатов. Доступные экспресс-тесты на антигены имеют низкую чувствительность и риск получения ложноотрицательных результатов, требующих дальнейшего подтверждения.

Исследователи также попытались использовать биосенсоры для быстрого обнаружения SARS-CoV-2, но столкнулись с проблемами при выборе сенсорных зондов, что делало их бесполезными при обнаружении мутантов. Рамановская спектроскопия, которая основывается на неупругом рассеянии света для идентификации уникальных паттернов колебаний молекул, до сих пор позволяла получать точные отпечатки пальцев отдельных вирусных компонентов без меток. Примечательно, что структурные и химические изменения в геноме и белках капсида отражаются как изменения в характеристиках вибрисс, как показали исследования с эховирусом 1 в предыдущих исследованиях.

Таким образом, исследователи из Университета Джона Хопкинса попытались разработать инновационную платформу для быстрого и сверхчувствительного обнаружения SARS-CoV-2, используя различные методы рамановской спектроскопии, а именно рамановскую спектроскопию с усилением поверхности (SERS). Исследователи недавно опубликовали отчет на сервере допечатной подготовки. medRxiv* Они описывают свои исследования сигнатур SERS, записанных на жестких и гибких подложках с хорошо воспроизводимыми активными наноструктурами без использования этикеток. Чтобы усилить слабый сигнал комбинационного рассеяния вируса SARS-CoV-2, они разработали новые модели нанотехнологий для жестких и гибких подложек SERS большой площади, сформированных с помощью наноразмерной литографии (NIL) в сочетании с трансферной печатью.

метод

В принципе, SERS усиливает слабый сигнал комбинационного рассеяния, возникающий от биологических образцов, поглощенных наноструктурами из благородных металлов. Затем он сочетает в себе высокую молекулярную специфичность с высокой чувствительностью к отдельным молекулам и позволяет проводить спектроскопическое количественное определение концентраций нескольких патогенов в небольших объемах. Исследователи использовали эту технологию, чтобы продемонстрировать платформу датчиков для быстрого тестирования большой площади без этикеток, изготовленную на жестких и гибких подложках, для быстрого и точного обнаружения SARS-CoV-2.

Исследователи разработали новые модели нанотехнологий для жестких и гибких подложек для нанолитографии (NIL) с SERS-узором большой площади в сочетании с трансферной печатью для усиления слабых рамановских сигналов. Плазменные наноструктуры состоят из геометрии усиленной полем изолирующей металлической антенны (FEMIA) с множеством чередующихся стопок серебра и кремнезема (аналогично наноантеннам металл-изолятор). Основная резонансная частота схемы близка к частоте лазерного возбуждения, что обеспечивает максимальное усиление рамановского сигнала.

Исследователи смогли непосредственно прочитать надежные сигнатуры вирусного слитого белка SARS-CoV-2 и H1N1 в очищенной форме спектров SERS с экспериментальным пределом обнаружения 500 нм. Они использовали анализ главных компонентов (PCA) и случайную классификацию лесов для идентификации четырех различных инкапсулированных в РНК вирусов с точностью более 83%. Используя эту платформу на гибкой подложке, исследователи обнаружили SARS-CoV-2 в сложной биологической жидкости, такой как слюна, обычно в течение 25 минут и с точностью не менее 83%. Датчик на гибкой подложке FEMIA позволял устанавливать датчик на изогнутых и гибких поверхностях и на носимых устройствах для быстрой идентификации вирусов в различных ситуациях.

древности

Подход SERS включает в себя наноразмеры большой площади, изготовление носимых устройств как в жестких, так и в гибких форматах, а также на основе машинного обучения. Эта стратегия может быть очень полезной для быстрого обнаружения патогенов независимо от мутаций с помощью биосенсоров без маркировки и помощи в управлении нынешними и будущими эпидемиями.

*Важная заметка

medRxiv публикует предварительные научные отчеты, которые не были рецензированы и поэтому не должны считаться окончательными, руководить клинической практикой / поведением, связанным со здоровьем, или рассматриваться как установленная информация.