Biomedya - Biyoteknoloji & Yaşam Bilimleri

Yeni testin işlevsel ilkesi, bir hastanın COVID-19 hastalığı ve seyri ile ilgili güvenilir ve ölçülebilir sonuçların yanı sıra mevcut olabilecek diğer hastalıklar ve COVID varyantlarına ilişkin kanıtlar vaat ediyor. Bununla birlikte, yaygın kullanıma girmeden önce, yine de daha fazla test ve optimizasyondan geçmesi gerekiyor. Araştırmacılar, ACS Applied Nanomaterials dergisinde gelişmeleri hakkında rapor veriyorlar.

Alman Paul Ehrlich Enstitüsü'nden Heinrich Scheiblauer tarafından yönetilen bir araştırma grubu tarafından yakın zamanda yapılan bir çalışmanın gösterdiği gibi, hızlı antijen testlerinin önemli bir eksikliği, güvenilirliklerinin olmamasıdır. Çalışma için test edilen farklı üreticilere ait 122 test kitinden beşte biri başarısız oldu ve yüksek viral yük taşıyan test deneklerinin yüzde 75'inin koronavirüs pozitif olarak belirlenmesi için minimum gerekliliği bile karşılamadı. Diğer bir dezavantaj: Testler yalnızca deneğin enfeksiyon kapmış olup olmadığını söyler. Enfeksiyonun seyri veya test deneklerinin bağışıklık tepkisi hakkında herhangi bir fikir vermezler. 

PSI'da geliştirilen yeni bir test, antijen testlerinden farklı olarak, virüsün bileşenlerini doğrudan tespit etmeyen, daha çok bağışıklık sisteminin enfeksiyona tepki olarak ürettiği antikorları hızlı testte önemli ölçüde daha fazla tahmin gücü getirmeyi vaat ediyor. Aynı zamanda ucuz, hızlı ve kullanımı kolaydır ve aynı zamanda gripten sorumlu olanlar gibi çeşitli patojenleri aynı anda tanımlamak için kullanılabilir. PSI X-ray Nanobilim ve Teknolojileri Laboratuvarı başkanı Yasin Ekinci, "Böylece, birinin zaten bir koronavirüs enfeksiyonu geçirip geçirmediğini belirlemek için kullanılan önceki hızlı antikor testlerinden daha fazla veri sağlıyor." dedi.

Testin merkezi yapı taşı, mikroskop lamına benzer, sıradan bir pleksiglastan oluşan küçük bir dikdörtgen plakadır. Bir milimetre kalınlığında bir alt tabaka ve 0.2 milimetre kalınlığında bir üst tabakadan oluşur. Araştırmacılar, örneğin bilgisayar çiplerinin üretiminde kullanılan katı malzemeleri öğütmek için son derece hassas bir işlem olan elektron demeti litografisini kullanarak alt kısımda bir kabartma deseni oluşturdular. Ana şablon bu şekilde üretildikten sonra, araştırmacılar bunu, üretim sürecini önemli ölçüde hızlandıran ve maliyetini azaltan nano baskı litografisi ile birleştirdiler.

Çok işlevli mikro yapı

Kaplama olarak daha ince pleksiglas tabakasıyla, plaka artık bir sıvının bir uçtan diğerine akabileceği üç paralel kanala sahiptir. Bunların her biri girişte 300 mikrometre (0,3 milimetre) genişliğinde ve 3,4 mikrometre yüksekliğindedir. Çıkışta, kanallar beş kat daha geniş ancak yalnızca bir mikrometre yüksekliğindedir. Aradaki bir uzantı boyunca, kanal sadece birkaç mikrometre genişliğe kadar daralır ve bir noktada sadece 0,8 mikrometre yüksekliğindedir bu insan saçından yaklaşık 100 kat daha incedir. 

Basel Üniversitesi İsviçre Nanobilim Enstitüsü'nde doktora adayı ve çalışmanın ilk yazarı Thomas Mortelmans, "Bu özel kanal yapısı aynı anda birkaç amaca hizmet ediyor. “dedi. Mortelmans araştırmasını PSI'nin X-ışını Nanobilim ve Teknolojileri Laboratuvarında gerçekleştirdi. Birincisi, suyu köklerden ağaçların taçlarına taşıyan kanal dokularının tanıdık hareketi gibi güçlü bir kılcal etki sağlar. Pompa gerekli değildir. Kuvvet, sıvı ve katı yüzey arasındaki arayüzey geriliminden kaynaklanır. Dar geçitlerden suyu neredeyse emer. Tam olarak aynı şey, pleksiglastaki kanallarda da olur; bunun dışında, içinden su yerine bir damla kan geçer.

Test için çok önemli olan, kanalın yüksekliğinin 3.4 mikrometreden 0.8'e düştüğü bir pasajdır. Araştırmacıların yakalama bölgesi dediği yerde, daha önce kana eklenen parçacıklar, kanda hangi patojenlerin bulunduğuna bağlı olarak önceden tanımlanmış konumlarda sıkışıp kalıyor. Mortelmans, test için bir deneğin doktora veya test merkezine gideceğini açıklıyor. Orada, kan şekeri testinde olduğu gibi parmakla küçük bir damla kan alınır. İçinde özel yapay nanoparçacıkların asılı olduğu bir sıvı kana karıştırılır. Yüzeyleri, hastalıkla savaşırken insan antikorlarının kenetlendiği SARS-CoV-2 virüsünün kötü şöhretli spike proteinleriyle aynı yapıya sahiptir. Ek olarak, kendilerini insanlarda SARS-CoV-2 antikorlarına bağlayan küçük floresan partiküller eklenir.

Bu, test edilen kanda SarsCoV-2'ye karşı antikorlar varsa, floresan parçacıkların önce kendilerine yapıştığı anlamına gelir; birlikte daha sonra önemli ölçüde daha büyük nanoparçacıkların virüs benzeri yapılarına bağlanırlar ve onlarla birlikte nanoparçacıkların çapına karşılık gelen önceden tanımlanmış yerlerde sıkışırlar. Mortelmans, "Bu, kanalın tam olarak 2,8 mikrometre yüksekliğinde olduğu yer." dedi. Burada nanopartiküller, insan antikorları ve onların parlayan uzantıları onlara kenetlenmiş olarak birikir. Plaka bir floresan mikroskobu altına yerleştirilirse, ışık sinyali görülebilir. Hasta ne kadar çok antikor oluşturursa o kadar parlak olur; sinyal ne kadar net olursa, bağışıklık reaksiyonu o kadar güçlü olur. COVID-19 bu şekilde net bir şekilde teşhis edilebilir. 

Birçok olasılık içeren tek bir hızlı test

Kanalın kandaki diğer partiküller tarafından tıkanma riski yoktur. Virüslerin kendileri sadece 0.12 mikrometre boyutundadır ve direnç göstermeden geçerler. Yalnızca nanopartiküllerin yanındaki kırmızı kan hücreleri, kanalın en dar kısmından daha büyüktür. Mortelmans, "Geliştirme projemizin başlangıcında, aslında sorunlara neden oldular.Fakat kanalı, şimdi geçiş yapacak şekilde optimize ettik.Kılcal damar kuvveti artık o kadar büyük ki, kan hücrelerini kanalın her daralmasında sıkıştırıyor." şeklinde aktardı.

Test, COVID-19'u teşhis etmenin ötesinde daha da fazla olasılık sunuyor. Ayrıca, farklı boyutlarda ve farklı yüzey yapılarına sahip nanopartiküller, diğer hastalıklar için eş zamanlı test yapılmasını sağlamak için kana karıştırılabilir. Çalışmada, Mortelmans bunu, yüzeyi influenza A virüslerine karşılık gelen parçacıkları kullanarak yaptı. Deneylerde, yakalama bölgesindeki iki nokta aydınlandı: biri COVID-19 ve diğeri grip.

Ayrıca hastalığın farklı evrelerinde bağışıklık sisteminin ürettiği farklı antikorları tespit etmek mümkündür. Örneğin, yalnızca enfeksiyonun erken evresinde ortaya çıkan antikorlara bağlanan yeşil floresan parçacıkları ve daha sonraki aşamalarda bağışıklık sistemi tarafından üretilen antikorlar için kırmızı floresan parçacıkları kullanılabilir. Mortelmans, "Test birçok yönden genişletilebilir. Örneğin, on farklı hastalığı aynı anda sorunsuz bir şekilde test edebilir ve dört rengi de kullanabiliriz. Tabii ki, daha fazla varyantı test etmek için kanal sayısı da artırılabilir. Prensip olarak, ikinci ve üçüncü kanallar yalnızca birincinin sonucunu doğrulamak için oradadır. Ancak, farklı testler yapmak için de kullanılabilirler.Prensip olarak burada Lego'ya benzer bir sistemimiz var.” dedi. 

Araştırmacılar, koronavirüs pandemisinin başlamasından kısa bir süre sonra yeni test üzerinde çalışmalarına başladılar. Ekinci, "O sırada Parkinson teşhisi için bir test üzerinde çalışıyorduk. Salgın başladığında, kendimize bir araştırma enstitüsü olarak bunun üstesinden gelmeye nasıl katkıda bulunabileceğimizi sorduk. Bununla birlikte, test çok yeni olduğundan, başlangıçta virüs hakkında çok az şey bilindiğinden ve hasta numunelerinin alınmasının da zor olması nedeniyle geliştirme daha uzun sürdü.Çalışma için cihaz, 19'u enfekte insanlardan ve 10'u enfekte olmayan insanlardan gelen 29 kan örneğiyle test edildi. Bir yanlış-negatif durum dışında, test her zaman doğruydu. Bu da takip testi sırasında tespit edildi. Elbette güvenilirlik hakkında sağlam bir açıklama yapmak için çok daha fazla test yapmamız gerekiyor ve hala geliştirilecek çok yer var. Ancak bu çok umut verici." dedi.

Ayrıca, testin yürütülmesi daha da kolay hale gelmelidir. Mortelmans, "Kan yerine tükürük ile yapmayı aynı derecede kolaylaştırmak için çalışıyoruz. Sinyalleri okumak için mikroskop yerine cep telefonu kamerasını da kullanabilmek istiyoruz. Modern cihazlar artık bunu yapabiliyor. Böyle bir test şu anda 10 ile 30 dakika arasında sürüyor. Ama bunu iki dakikada yapmak da mümkün; şu anda bu amaçla optimize ediliyor.” dedi. Sözlerine devam eden Ekinci, "Vizyonumuz, çeşitli COVID ve grip hastalıklarını ve varyantlarını cep telefonu aracılığıyla güvenilir, hızlı ve ucuz bir şekilde aynı anda teşhis edebileceğimiz bir teknolojidir. Yeni konseptimiz bunu gerçeğe dönüştürebilir." diyerek sözlerini noktaladı.

Makale:pubs.acs.org