Борьба со вспышками респираторных вирусов с помощью быстрого обнаружения на основе сенсора из «нанопопкорна»
Вирусные респираторные заболевания легко передаются и могут быстро распространяться по всему миру, нанося значительный ущерб. Пандемия COVID-19 служит тому подтверждением. В прошлом другие вирусы также вызывали масштабные вспышки респираторных заболеваний: например, подтип вируса гриппа, вирус типа A H1N1, был причиной вспышек «испанки» и «свиного гриппа». Таким образом, для предотвращения подобных кризисов в будущем критически важна своевременная и точная диагностика этих вирусов. Именно над этим работали исследователи из Кореи в своем новом исследовании.
На протяжении нескольких десятилетий анализ на основе полимеразной цепной реакции (ПЦР) был «золотым стандартом» для обнаружения вирусов гриппа. И хотя эти тесты высокочувствительны, они могут требовать дорогих реагентов и сложных протоколов. Потенциально лучшей альтернативой может быть «поверхностно-усиленное комбинационное рассеяние» (SERS). Анализы на основе SERS работают путем нанесения жидкого образца на подложку с наноструктурированной поверхностью из благородного металла. Вирусные частицы из образцов обнаруживаются, когда они гибридизуются с иммобилизованными на подложке «аптамерами» — молекулами, способными связываться со специфичными молекулами-мишенями. Это связывание визуально детектируется как изменение «интенсивности сигнала», которое уменьшается с ростом вирусной нагрузки из-за конформационных изменений на подложке. Однако главным недостатком этих анализов является плохая воспроизводимость сигналов от гетерогенных «горячих точек» (электронно-плотных областей, вносящих вклад в сигнал).
В попытке преодолеть эту проблему исследователи из Университета Чунг-Анг и Корейского института науки о материалах под руководством профессора Джебума Чу разработали новую 3D-плазмонную подложку из «нанопопкорна». Говоря о значимости их исследования, опубликованного в Biosensors and Bioelectronics, профессор Чу заявляет: «Инфекционные заболевания, вызываемые респираторными вирусами гриппа, SARS, MERS и SARS-2, могут распространяться периодически и представляют угрозу для глобального здоровья. Наш подход на основе SERS-аптасенсора предоставляет новую диагностическую платформу для респираторных инфекционных заболеваний в будущем».
В своей конструкции ученые последовательно нанесли два слоя частиц золота на полимерную подложку методом термического испарения. Два слоя были разделены обработкой соединением под названием перфтордекантиол (PFDT). Разница в энергии между PFDT и слоем золота заставляла ионы золота диффундировать к поверхности, образуя наночастицы, выглядящие как равномерно расположенные «зерна попкорна». Такое расположение коллективно усилило генерируемую интенсивность сигнала за счет создания множества «горячих точек» на подложке.
Затем ученые оценили производительность анализа, используя разные концентрации вируса H1N1. Они успешно обнаружили разные вирусные нагрузки всего за 20 минут и из минимального объема в 3 мкл (3 микролитра: одна тысячная часть от 3 мл). Более того, система также могла точно классифицировать разные штаммы вирусов гриппа и обнаруживала вирусы H1N1 с чувствительностью в три раза выше, чем у рутинно используемых тестов ELISA. И не только это: анализ оказался высоковоспроизводимым. Довольный результатами, профессор Чу заявляет: «Наша система анализа позволила провести сверхчувствительный и надежный анализ вируса гриппа. Такой метод позволит проводить диагностику на ранней стадии, облегчит начало противовирусного лечения и обеспечит эпиднадзор за инфекциями, особенно для тех, кто подвержен высокому риску осложнений, связанных с вирусом».
Более того, команда уверена, что их результаты могут однажды быть использованы для борьбы с текущей пандемией. Профессор Чу говорит: «В настоящее время мы разрабатываем SERS-аптасенсор для быстрой диагностики коронавируса из образцов дыхательных путей человека. Мы также разрабатываем новый диагностический подход для дифференциации вирусов гриппа A и коронавирусов».
Будем надеяться, что новый анализ на основе «нанопопкорна» поможет бороться со многими серьезными кризисами в области здравоохранения в будущем.