Nanogoldas aptinka ligą per 15 minučių: NasRED nuskaito šimtus molekulių kraujo laše

„ACS Nano“ aprašė nešiojamąjį diagnostinį testą, vadinamą NasRED ( nanodalelėmis paremtas, greitas, elektroninis aptikimas ): jame naudojamos aukso nanodalelės ir elektrooptinis skaitymas, siekiant aptikti antigenus ir antikūnus prieš infekcijas esant itin mažoms koncentracijoms – iki subfemtomolarinio/attomolinio lygio. COVID-19 tyrimas parodė tikslų atskyrimą nuo kitų infekcijų, atsako laikas buvo ~15 minučių, o testo kaina buvo apie 2 USD. Pasak autorių, jautrumas yra ~3000 kartų didesnis nei ELISA, reikia 16 kartų mažiau mėginio, o rezultatas gaunamas 30 kartų greičiau.

Fonas

• Kodėl vėl reikalinga PoC diagnostika ir kaip įvertinti jos sėkmę. Realioje praktikoje reikalingi gydymo vietoje atliekami tyrimai (vietoje, greiti, pigūs), kurie atitiktų ASSURED/REASSURD kriterijus: įperkami, jautrūs, specifiški, patogūs naudoti, greiti/patikimi, be įrangos/paprasti, pristatomi, be ryšio realiuoju laiku ir lengvo mėginių surinkimo. Dauguma „namų“ tyrimų vis dar neapima visų punktų, ypač „S“ – jautrumo. Todėl vyksta lenktynės dėl metodų, kurie užtikrins laboratorinį jautrumo lygį be laboratorijos.
• Kur įstringa klasika.
  • LAT juostelės (antigeno testai) yra greiti ir pigūs, tačiau jautrumas PGR yra vidutinis ir labai priklauso nuo viruso kiekio / ligos laiko; net ir geriausi rinkiniai dažnai neatitinka „laboratorinio“ jautrumo.
  • ELISA yra tikslus, tačiau jam reikalingi reagentai, plovimo / skaitytuvai, inkubacijos – tai užtrunka valandas ir yra laboratorija; esamos „patobulintos“ versijos sumažina slenksčius, tačiau protokolo sudėtingumo kaina. Lauko patikros atveju tai yra kliūtys.
• Kodėl aukso nanodalelės? AuNP yra biosensorių „arkliukas“: jos pasižymi ryškiu plazmoniniu atsaku (absorbcijos / sklaidos pokyčiai agregacijos metu arba pasikeitus aplinkai), patogia paviršiaus chemija baltymų / aptamero konjugacijai ir geru stabilumu. Tai leidžia atlikti bandymus, kuriuose „analizuojamos molekulės ↔ nanodalelės“ jungtis paverčiama optiniu / elektroniniu signalu be sudėtingos optikos.
• Elektro-/opto-elektroninis rodmuo kaip žingsnis į priekį. PoC esmė – supaprastinti aptikimą: vietoj didelių spektrofotometrų naudoti LED + paprastą fotosensorių/elektroniką ir nuskaityti funkcionalizuotų nanodalelių skaidrumo/sklaidos arba „nusodinimo“ pokytį, kai jos prisijungia prie taikinio. Tokios schemos užtikrina didelį dinaminį diapazoną ir greitą atsako laiką, išlaikant žemas aptikimo ribas. Čia ir tinka NasRED.
• Kodėl svarbu matyti ir antigenus, ir antikūnus? Skirtingų stadijų infekcijų atveju kai kurie taikiniai yra informatyvesni nei kiti: antigenas – ankstyvai aktyviai infekcijai, antikūnai – praeities / dabartinės infekcijos faktui su serokonversija arba imuninio atsako įvertinimui. Platformos, kurios moduliškai „perkvalifikuoja“ antigenus į antikūnus (ir atvirkščiai), greičiau plečiasi į naujus patogenus / užduotis.
• Šio konkretaus straipsnio kontekstas. Demonstracijos su SARS-CoV-2 metu „NasRED“ pademonstravo subfemtomolių antigenų/antikūnų lygių aptikimą per ~15 minučių iš mikrotūrio (apie 6 µl) ir tikslų COVID-19 atskyrimą nuo kitų infekcijų; teigiama, kad platforma pritaikoma toksinams, navikų žymenims ir kt. Tai panaikina atotrūkį tarp „juostelės“ ir laboratorijos jautrumo ir greičio. Dėl to atsiranda galimybė anksti nustatyti ligą esant mažam paplitimui ir mažai išteklių turinčioms aplinkybėms.
• Tačiau padidėjęs jautrumas taip pat yra rizikingas. Kuo žemesnė riba, tuo didesni grynumo, kryžminių reakcijų kontrolės ir klaidingai teigiamų rezultatų valdymo reikalavimai. Todėl kiekvienam naujam „taikiniui“ platformoje reikalingas atskiras klinikinis patvirtinimas ir streso testas, siekiant nustatyti matricos poveikį (kraujas, seilės, nosiaryklė) ir vartojimo prekių stabilumą realiose tiekimo grandinėse.
• Kodėl tai logiška testų evoliucijos kryptis. Šioje srityje jau išmokta „pralaužti“ pikomolines ribas (skaitmeninė ELISA, patobulinti LF formatai), tačiau dažniau tai daroma brangios įrangos / sudėtingų protokolų sąskaita. AuNP platformos su paprastu elektroniniu nuskaitymu siekia suderinti itin jautrų jautrumą su pigia įranga – būtent to ir reikalauja ASSURED/REASSURED kriterijai.

Kaip tai veikia

• Aukso nanodalelės padengtos atpažinimo molekulėmis. Virusinio baltymo paieškai naudojami antikūnai, o paciento antikūnams sugauti – virusiniai antigenai.
• Šios dalelės įdedamos į mažytį mėginį (kraujo / seilių / nosies skysčio lašą). Jei mėginyje yra taikinys, dauguma nanodalelių sulimpa ir nusėda mėgintuvėlio dugne. Jei taikinio nėra, suspensija lieka drumsta.
• Įrenginys praleidžia LED spindulį per skysčio viršų, o elektroninis jutiklis matuoja, kiek šviesos praeina: daugiau šviesos = dalelės „nukrito“, o tai reiškia, kad yra taikinys. Visa tai be didelių gabaritų optikos elementų ir sudėtingo mėginio paruošimo.

Kas tiksliai buvo parodyta naujame darbe

• COVID-19: „NasRED“ patikimai aptiko SARS-CoV-2 antigenus ir antikūnus tokiais lygiais, kuriems standartiniai metodai nepadeda, ir atskyrė COVID-19 nuo kitų infekcijų. Drėgnuose testuose su sveikomis koronaviruso dalelėmis jautrumas buvo panašus į „Abbott ID NOW“ (populiaraus molekulinio testo), tačiau pranašesnis dėl greičio ir paprastumo.
• Aptikimo slenkstis: komanda padidino jautrumą iki atomolių diapazono (pavyzdys iš pranešimo spaudai: „rašalo lašas 20 olimpinių baseinų“). Straipsnio pavadinime pabrėžiamas subfemtomolių lygis.
• Moduliškumas: tas pačias „tuščias“ nanoplatformas galima greitai perprogramuoti kitiems taikiniams – nuo E. coli (Shiga toksino) iki navikų žymeklių ir Alzheimerio ligos baltymų; šios technologijos prototipas anksčiau pagavo Ebolos virusą iš labai mažų kraujo tūrių.

Kodėl tai svarbu?

• Laboratoriniai tyrimai – be laboratorijos. Skubiai sveikatos priežiūros srityje reikia greitų, tikslių ir nebrangių tyrimų gydymo vietoje (PoC). „NasRED“ sujungia greitus testus su juostelėmis ir „sunkias“ laboratorines procedūras: ~2 USD už tyrimą, ~15 minučių, minimali įranga ir mokymai. Tai labai svarbu lauko sąlygomis ir regionuose, kuriuose mažai išteklių.
• Ankstyva diagnostika esant mažam paplitimui. Kai atvejų nedaug (ankstyvieji protrūkiai, ŽIV/HCV rizikos grupės, boreliozė), laboratorinių tinklų kūrimas nėra pelningas, o pacientai tiesiog netiriami. Itin jautrus PoC testas leidžia ieškoti adatos šieno kupetoje – ir tai padaryti iš karto.

Kiek tai yra „geriau nei standartinis“?

Autoriai pateikia palyginimus: ≈3000 kartų jautresnis nei ELISA, 16 kartų mažesnis mėginio tūris, 30 kartų greitesnis atsako laikas; absoliučiomis koncentracijomis šimtai molekulių submikrolitruose, „beveik 100 000 kartų jautresnis nei standartiniai laboratoriniai tyrimai“ (įstaigos paskelbto pranešimo duomenimis). Šie skaičiai nurodo etalonus tyrimo sąlygomis ir reikalauja išorinio patvirtinimo.

Kas jau aišku apie „skausmo taškus“

• Kol kas mėginių paruošimui reikalingos stacionarios mini centrifugos / maišytuvai; komanda dirba ties miniatiūrizavimu ir automatizavimu, siekdama visiškai kišeninio dydžio formato ir, galbūt, namų testo.
• Nurodytas universalumas (moduliai skirtingoms ligoms) teoriškai yra puikus, tačiau klinikai kiekvienam analitiniam taikiniui (ŽIV, HCV, boreliozei ir kt.) reikalingi atskiri klinikiniai tyrimai, atliekant kryžminių reakcijų, reagentų stabilumo ir tiekimo grandinės kokybės tyrimus.

Kur tai gali nuvesti?

Artimiausioje ateityje „NasRED“ atrodo kaip platforma: vienas įrenginys + keičiami jutiklių „priedai“ norimam žymekliui. Jei moduliškumas bus patvirtintas, šis metodas galėtų paspartinti testų diegimą naujiems protrūkiams ir išplėsti PoC diagnostiką klinikose, skubios pagalbos skyriuose, mobiliuose punktuose ir net mobiliose komandose sunkiai pasiekiamoms grupėms.

Šaltinis: Choi Y. ir kt. Nanodalelėmis pagrįstas, greitas ir elektroninis SARS-CoV-2 antikūnų ir antigenų aptikimas subfemtomolariniu lygmeniu. ACS Nano, paskelbta 2025 m. rugpjūčio 11 d. https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12083