Schneller papierbasierter Sensor detektiert COVID-19 in unter 5 Minuten

Da die COVID-19-Pandemie sich weltweit ausbreitet, bleibt Testen eine Schlüsselstrategie zur Verfolgung und Eindämmung des Virus. Forscher haben einen schnellen, ultrasensitiven Test entwickelt, der einen papierbasierten elektrochemischen Sensor nutzt, um das Virus in weniger als fünf Minuten nachzuweisen.

Bestehende Testkategorien

Es gibt zwei breite Kategorien von COVID-19-Tests auf dem Markt. Die erste nutzt Reverse-Transkriptase-Echtzeit-Polymerasekettenreaktion (RT-PCR) und Nukleinsäure-Hybridisierungsstrategien zur Identifikation viraler RNA. Nachteile sind die Dauer, der Bedarf an spezialisiertem Personal sowie Verfügbarkeit von Geräten und Reagenzien. Die zweite Kategorie fokussiert auf Antikörpernachweis; jedoch kann es Tage bis Wochen nach Exposition dauern, bis nachweisbare Antikörper gebildet werden.

Graphen-basierter Biosensor

In den letzten Jahren hatten Forscher Erfolg mit Point-of-Care-Biosensoren auf Basis 2D-Nanomaterialien wie Graphen zur Krankheitsdetektion. Hauptvorteile: hohe Sensitivität, niedrige Produktionskosten, schnelle Detektion. Graphen weist einzigartige mechanische und elektrochemische Eigenschaften auf, die es ideal für empfindliche elektrochemische Sensoren machen. Das Team erstellte einen graphenbasierten elektrochemischen Biosensor mit elektrischem Auslese-Setup zum selektiven Nachweis von SARS-CoV-2-Genmaterial.

Sensoraufbau

Der Biosensor besteht aus zwei Komponenten: einer Plattform zur Messung des elektrischen Ausleses und Sonden zum Nachweis viraler RNA. Für die Plattform beschichteten Forscher Filterpapier zunächst mit einer Schicht Graphen-Nanoplatelets zu einem leitfähigen Film. Darauf platzierten sie eine Goldelektrode mit vordefiniertem Design als Kontaktpad für das elektrische Auslesen. Sowohl Gold als auch Graphen haben hohe Sensitivität und Leitfähigkeit, was diese Plattform ultrasensitiv für Änderungen elektrischer Signale macht.

Sondendesign

Aktuelle RNA-basierte COVID-19-Tests prüfen das N-Gen (Nukleokapsid-Phosphoprotein) des SARS-CoV-2-Virus. In dieser Forschung entwarf das Team Antisense-Oligonukleotid (ASO)-Sonden für zwei Regionen des N-Gens. Die Zielsetzung zweier Regionen sichert die Zuverlässigkeit des Sensors, falls eine Region eine Genmutation durchläuft. Goldnanopartikel (AuNP) werden mit diesen einzelnsträngigen Nukleinsäuren (ssDNA) verkappt, was eine ultrasensitive Sensorsonde für SARS-CoV-2-RNA darstellt.

Funktionsweise und Validierung

Die Hybridisierung der viralen RNA mit diesen Sonden verursacht eine Änderung der elektrischen Sensorantwort. Die AuNP-Kappen beschleunigen den Elektronentransfer und führen, über die Sensierplattform ausgestrahlt, zu einer Erhöhung des Ausgangssignals, was das Vorhandensein des Virus anzeigt.

Das Team testete die Sensorleistung mit COVID-19-positiven und -negativen Proben. Der Sensor zeigte einen signifikanten Spannungsanstieg bei positiven Proben im Vergleich zu negativen und bestätigte das Vorhandensein viralen Genmaterials in unter fünf Minuten. Zudem konnte der Sensor virale RNA-Lasten in diesen Proben differenzieren. Virale Last ist ein wichtiger quantitativer Indikator für den Infektionsverlauf und mit bestehenden Diagnosemethoden schwer zu messen.

Ausblick

Diese Plattform hat weitreichende Anwendungen aufgrund ihrer Portabilität und niedrigen Kosten. Der Sensor, integriert mit Mikrocontrollern und LED-Bildschirmen oder mit einem Smartphone via Bluetooth/WiFi, könnte Point-of-Care in Arztpraxen oder sogar zu Hause eingesetzt werden. Über COVID-19 hinaus sieht das Team das System als anpassbar für die Detektion vieler verschiedener Krankheiten.