Диагностический инструмент создает более сильные, более длительные сигналы биолюминесценции для обнаружения вирусов

Исследователи Mass General Brigham проливают новый мощный свет в вирусную тьму с разработкой датчика на основе люминесцентной CAscade (LUCAS), быстрого, портативного, высокочувствительного диагностического инструмента для обработки сложных биологических образцов.

По сравнению со своими диагностическими предшественниками, LUCAS создает в 500 раз более сильные и в восемь раз более длительные биолюминесцентные сигналы, преодолевая давние проблемы, с которыми сталкивается диагностика на месте. Их исследование было опубликовано в журнале Nature Biomedical Engineering.

"Разработка эффективной диагностики невероятно сложна, особенно если подумать о размере частиц инфекционных заболеваний и сложных биологических жидкостях, в которых мы пытаемся их идентифицировать. Найти частицу ВИЧ в образце крови человека - это как найти кубик льда в наполненном желе олимпийским бассейном с завязанными глазами", - сказал старший автор Хади Шафи, доктор философии, преподаватель факультета инженерии медицины и отделения почечной медицины Бригамской и женской больницы.

«Благодаря своему новому ферментному каскадному подходу LUCAS знаменует собой существенный скачок вперед для зондирования вирусов в этих сложных биологических образцах».

Диагностика на месте первой помощи стала важными инструментами во многих домохозяйствах, поскольку люди измеряют уровень сахара в крови, сдают тесты на беременность и даже проводят собственные анализы на COVID-19. Эти диагностические процедуры, которые позволяют людям избежать утомительных, дорогостоящих лабораторных испытаний, важны для выявления, лечения и мониторинга заболеваний.

Тем не менее, текущая диагностика может не удаться, с такими недостатками, как неточность и плохая чувствительность. Биолюминесценция может облегчить общие недостатки, испытываемые другими методами, такими как фоновый шум, ложноположительные результаты, фотоотбеливание и фототоксичность.

Биолюминесценция использует тот же природный фермент, который заставляет светлячков светиться, чтобы осветить биологические образцы для визуализации. Фермент, люцифераза, добавляется в образец для поиска и маркировки вирусных частиц. Затем в этот образец вводятся молекулы люциферина, вызывая реакцию люциферазы, которая создает всплеск света. Но эта реакция производит световой сигнал, который является одновременно слабым и недолговечным.

Шафи и его команда разработали уникальный каскад ферментных сигналов для усиления и продления сигналов биолюминесценции. Они вводят в уравнение другой фермент, называемый бета-галактосидазой, который прилипает к люциферину и высвобождает его непрерывно, вместо того, чтобы позволить люциферину свободно плавать в образце для разовых реакций.

Этот дополнительный шаг означает больше люциферина, больше люциферазных реакций и больше биолюминесценции. Фактически, этот шаг позволил LUCAS быть в 515 раз более биолюминесцентным, чем системы без LUCAS, а сигналы LUCAS сохраняли прочность на 96% через час.

Для оценки эффективности LUCAS команда использовала 177 вирусных образцов пациентов и 130 вирусных образцов сыворотки, инфицированных SARS-CoV-2, ВИЧ, HBV или HCV. Образцы пациентов с SARS-CoV-2 были взяты с помощью носоглоточного мазка, в то время как образцы ВИЧ, HBV и HCV были собраны с помощью забора крови. LUCAS предоставил диагностические ответы в течение 23 минут и со средней точностью по всем патогенам более 94%.

Исследователи спроектировали LUCAS как портативный, так и простой в использовании, чтобы он мог быть вариантом для сред с высокими и низкими ресурсами. В качестве следующего шага команда будет проверять эффективность LUCAS в других биологических жидкостях и то, может ли метод идентифицировать более одного патогена одновременно.

Шафи также отмечает, что идентификация биомаркеров для многих заболеваний, включая болезнь Альцгеймера, является быстро развивающимся пространством, поэтому наличие такого инструмента, как LUCAS, готового к работе по мере появления новых биомаркеров, может оказать влияние в ближайшие годы.

"Мы всегда хотим обнаружить инфекцию и болезни как можно раньше, так как это может иметь большое значение, когда дело доходит до ухода и долгосрочных результатов", - сказал первый автор Сунгван Ким, доктор философии, докторант в лаборатории Шафи в Бригаме.

«С учетом нашего внимания к разработке чувствительных, точных и доступных диагностических инструментов, мы хотим сделать раннее обнаружение проще, чем когда-либо, и перенести персонализированную помощь в новую эру».