Für die epidemiologische Überwachung und Gesundheitsdienste sind nach wie vor schnelle, kostengünstige und genaue Tests erforderlich, um die Ausbreitung von SARS-CoV-2 zu überwachen und einzudämmen. Brasilianische Forscher haben zu den Bemühungen auf diesem Gebiet beigetragen, indem sie einen elektrochemischen Immunsensor entwickelt haben, der Antikörper gegen das Virus identifiziert.
Die Innovation wird in einem Artikel beschrieben, der in der Zeitschrift ACS Biomaterials Science and Engineering veröffentlicht wurde.
Auf der Suche nach einem neuartigen Diagnoseverfahren entschied sich die Gruppe für ein in der Metallurgie häufig verwendetes Material – Zinkoxid – und kombinierte es erstmals mit fluordotiertem Zinnoxidglas (FTO), einem leitfähigen Material, das unter anderem in Elektroden für die Photovoltaik verwendet wird erweiterte Anwendungen.
„Mit dieser ungewöhnlichen Kombination und der Zugabe eines Biomoleküls, dem viralen Spike-Protein, haben wir eine Oberfläche entwickelt, die Antikörper gegen SARS-CoV-2 nachweisen kann. Das Ergebnis wird als elektrochemisches Signal angezeigt, das von dieser Oberfläche eingefangen wird“, sagt der Chemiker Wendel Alves , Hauptautor des Artikels. Alves ist Professor am Center for Natural and Human Sciences, Federal University of the ABC (UFABC), Bundesstaat Sao Paulo.
Die von den Forschern hergestellte Elektrode wies COVID-19-Antikörper im Serum in etwa fünf Minuten mit einer Sensitivität von 88,7 % und einer Spezifität von 100 % nach und übertraf damit sogar den ELISA-Test (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay), das derzeitige Goldstandard-Tool für die klinische Diagnose.
Die Forschung wurde von FAPESP über das National Science and Technology Institute for Bioanalysis und ein thematisches Projekt unterstützt.
Laut Alves, Leiter des UFABC-Labors für Elektrochemie und nanostrukturierte Materialien, ermöglichte das Vorwissen über chemische Eigenschaften wie den isoelektrischen Punkt des Virus-Spike-Proteins (S) der Gruppe, eine Plattform für S zu entwickeln, um elektrostatisch an Zinkoxid-Nanostäbchen zu binden. Zinkoxid wird aufgrund seiner Vielseitigkeit und seiner einzigartigen chemischen, optischen und elektrischen Eigenschaften zunehmend zur Herstellung von Biosensoren verwendet.
Funktionsprinzip des Immunosensors
Ein Verfahren zum direkten Verbinden eines elektronischen Geräts mit einer biologischen Umgebung ist aufgrund der inhärenten Komplexität der Biosensorentwicklung eine Herausforderung. Nanomaterialien ermöglichen die Miniaturisierung von Geräten und erhöhen ihre Empfindlichkeit aufgrund ihrer größeren Oberfläche und Elektronenleitfähigkeit über große Entfernungen.
(72,73) Die ZnONRs schaffen eine günstige Umgebung für die Adsorption von Biomolekülen, erhalten ihre Funktionalität und wandeln biologische Ereignisse in ein stabiles, selektives und empfindliches messbares Signal um.
Das rekombinante trimere SARS-CoV-2-Spike-Protein war das Biomolekül, das zum Aufbau der elektrochemischen Biosensor-Detektionsplattform für Anti-Spike-Antikörper verwendet wurde, da das S-Protein die wichtigste Zielantigenkomponente aller Strukturproteine von SARS-CoV-2 ist. (74) Beim Arbeiten bei physiologischem pH (7,4) hat der IEP des S-Proteins (∼5) eine negative Netto-Oberflächenladung, und die ZnONR-Matrix mit einem hohen isoelektrischen Punkt (∼9,5) nimmt eine positive Netto-Oberflächenladungsdichte an.
Somit kann das negativ geladene Protein durch elektrostatische Wechselwirkung auf der Oberfläche der positiv geladenen ZnONR-Matrix immobilisiert werden. Dieses Prinzip wurde in großem Umfang für die Entwicklung multipler Immunsensoren verwendet.
Analyse und zukünftige Verwendungen
Insgesamt wurden 107 Blutserumproben analysiert. Sie wurden in vier Gruppen eingeteilt: Präpandemie (15), COVID-19-Rekonvaleszente (47), Geimpfte ohne vorherige positive Ergebnisse für die Krankheit (25) und Geimpfte nach positivem Ergebnis (20). Der Impfstoff bestand aus zwei Dosen CoronaVac, die im Abstand von vier Wochen verabreicht wurden. CoronaVac wird von der chinesischen Firma SinoVac in Zusammenarbeit mit dem Butantan Institute (Bundesstaat Sao Paulo) hergestellt.
Die Autoren des Artikels – Forscher, die mit UFABC und dem Heart Institute (INCOR), das von der Medizinischen Fakultät der Universität von Sao Paulo (FM-USP) betrieben wird, verbunden sind – stellen fest, dass das Gerät Antikörper erkennt, die als Reaktion auf beide Infektionen durch das Virus produziert werden und Impfung und zeigt ein hervorragendes Potenzial als Instrument zur Überwachung von Serokonversion und Seroprävalenz. Die Erkennung der Reaktion auf die Impfung sei wichtig, um den Gesundheitsbehörden zu helfen, die Wirksamkeit verschiedener Impfstoffe und von Impfkampagnen oder -programmen zu beurteilen, betonen sie.
Das Gerät wurde für den Nachweis einer durch CoronaVac induzierten Immunität validiert, aber die Gruppe plant, seine Verwendung auf Tests zur Reaktion auf die Impfstoffe von Pfizer und AstraZeneca auszudehnen.
Einer der Vorteile der von ihnen entwickelten Elektrode ist ihre flexible Architektur, was bedeutet, dass sie leicht für andere diagnostische und biomedizinische Anwendungen angepasst werden kann, indem verschiedene Biomoleküle auf den Zinkoxid-Nanostäbchen und anderen Zielanalyten verwendet werden.
“Die Technologie ist eine vielseitige Biosensor-Plattform. So wie sie von uns entwickelt wurde, kann sie für den serologischen Nachweis anderer Krankheiten von öffentlichem Interesse modifiziert und angepasst werden”, sagte Alves.
Elektrochemische Reaktionsstudien des ZnONRs/Spike-Immunosensors
EIS, CV und SWV wurden verwendet, um die Elektrode in jeder Fertigungsphase zu charakterisieren (Abbildung 4). Es zeigt die Faradischen Impedanzspektren für das Redox von [Fe(CN)6]3–/4– gemessen in jeder Fertigungsstufe. Die imaginäre Impedanzkomponente (Z″) wird als Funktion der realen Impedanzkomponente (Z') angezeigt, wie in Abbildung 4A dargestellt.
mit Eingaben von ANI
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