Papierbasierter Sensor erkennt COVID-19 innerhalb von Minuten

Da sich die COVID-19-Pandemie weiterhin auf der ganzen Welt ausbreitet, bleiben Tests eine Schlüsselstrategie zur Verfolgung und Eindämmung des Virus. Forscher haben einen ultraempfindlichen Schnelltest entwickelt, der einen papierbasierten elektrochemischen Sensor verwendet, der das Vorhandensein des Virus in weniger als fünf Minuten nachweisen kann.

Es gibt zwei große Kategorien von COVID-19-Tests auf dem Markt. Das erste verwendet Reverse-Transkriptase-Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) und Nukleinsäure-Hybridisierungsstrategien, um virale RNA zu identifizieren. Zu den Nachteilen gehören die Zeit, die zur Durchführung des Tests benötigt wird, der Bedarf an spezialisiertem Personal und die Verfügbarkeit von Ausrüstung und Reagenzien. Die zweite Kategorie konzentriert sich auf den Nachweis von Antikörpern; Es kann jedoch zu einer Verzögerung von einigen Tagen bis zu einigen Wochen kommen, nachdem eine Person dem Virus ausgesetzt wurde, bis sie nachweisbare Antikörper produziert.

In den letzten Jahren hatten Forscher einige Erfolge bei der Entwicklung von Point-of-Care-Biosensoren unter Verwendung von 2D-Nanomaterialien wie Graphen zur Erkennung von Krankheiten. Die Hauptvorteile dieser Biosensoren sind ihre Empfindlichkeit, niedrige Produktionskosten und eine schnelle Detektionsdurchlaufzeit. Graphen weist einzigartige mechanische und elektrochemische Eigenschaften auf, die es ideal für die Entwicklung empfindlicher elektrochemischer Sensoren machen. Das Team entwickelte einen elektrochemischen Biosensor auf Graphenbasis mit einem elektrischen Ausleseaufbau, um das Vorhandensein von SARS-CoV-2-Genmaterial selektiv nachzuweisen.

Der Biosensor besteht aus zwei Komponenten:einer Plattform zum Messen einer elektrischen Anzeige und Sonden zum Nachweis des Vorhandenseins viraler RNA. Um die Plattform zu schaffen, beschichteten die Forscher zunächst Filterpapier mit einer Schicht aus Graphen-Nanoplättchen, um einen leitfähigen Film zu erzeugen. Dann platzierten sie eine Goldelektrode mit einem vordefinierten Design auf dem Graphen als Kontaktfläche für die elektrische Anzeige. Sowohl Gold als auch Graphen haben eine hohe Empfindlichkeit und Leitfähigkeit, was diese Plattform ultraempfindlich macht, um Änderungen in elektrischen Signalen zu erkennen.

Aktuelle RNA-basierte COVID-19-Tests suchen nach dem Vorhandensein des N-Gens (Nukleokapsid-Phosphoprotein) auf dem SARS-CoV-2-Virus. In dieser Forschung entwarf das Team Antisense-Oligonukleotid-(ASOs)-Sonden, um auf zwei Regionen des N-Gens abzuzielen. Die Ausrichtung auf zwei Regionen stellt die Zuverlässigkeit des Sensors sicher, falls eine Region einer Genmutation unterliegt. Gold-Nanopartikel (AuNP) werden mit diesen einzelsträngigen Nukleinsäuren (ssDNA) verschlossen, die eine hochempfindliche Sonde für die SARS-CoV-2-RNA darstellen.

Die Empfindlichkeit der entwickelten Sensorsonden zeigten die Forscher bereits in früheren Arbeiten. Die Hybridisierung der viralen RNA mit diesen Sonden bewirkt eine Änderung der elektrischen Reaktion des Sensors. Die AuNP-Kappen beschleunigen den Elektronentransfer und führen, wenn sie über die Sensorplattform gesendet werden, zu einer Erhöhung des Ausgangssignals und zeigen das Vorhandensein des Virus an.

Das Team testete die Leistung des Sensors anhand von COVID-19-positiven und -negativen Proben. Der Sensor zeigte einen signifikanten Anstieg der Spannung positiver Proben im Vergleich zu negativen Proben und bestätigte das Vorhandensein von viralem genetischem Material in weniger als fünf Minuten. Darüber hinaus war der Sensor in der Lage, virale RNA-Lasten in diesen Proben zu differenzieren. Die Viruslast ist ein wichtiger quantitativer Indikator für das Fortschreiten einer Infektion und eine Herausforderung bei der Messung mit bestehenden diagnostischen Methoden.

Diese Plattform hat aufgrund ihrer Portabilität und geringen Kosten weitreichende Anwendungsmöglichkeiten. Der Sensor könnte, wenn er mit Mikrocontrollern und LED-Bildschirmen oder mit einem Smartphone über Bluetooth oder WiFi integriert ist, am Point-of-Care in einer Arztpraxis oder sogar zu Hause verwendet werden. Über COVID-19 hinaus sieht das Team auch vor, dass das System für die Erkennung vieler verschiedener Krankheiten anpassbar ist.