Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven en de Universiteit Utrecht hebben een sensor ontwikkeld die de gevoeligheid en nauwkeurigheid van huidige laboratoriumgebaseerde metingen combineert met de snelheid en lage kosten van huidige thuistesten. De nieuwe sensor gebruikt een ‘glow-in-the-dark’-signaal om de aanwezigheid van kleine hoeveelheden eiwitten en anti-drug-antilichamen aan te geven, evenals COVID-19-spike-eiwitten en antilichamen in het bloed.
"Er is een toenemende vraag naar medische tests in het licht van de huidige COVID-19-pandemie die snelle en nauwkeurige resultaten opleveren, goedkoop zijn en idealiter door iedereen en overal kunnen worden gedaan." Dat stelt Maarten Merkx van het instituut voor Complexe Moleculaire Systemen ( ICMS) aan de TU/e en onderzoeksleider voor het onderzoek, waarover gepubliceerd is in Nature Communications. Het antwoord: een moleculair verkeerslicht.
Zelftesten minder gevoelig
Zelftesten zijn overal verkrijgbaar, maar minder gevoelig en nauwkeurig dan laboratoriumtests. Maar de uitslag van een laboratoriumtest kan meerdere dagen duren en dat kan te lang zijn. “De output van een corona-zelftest is een simpel ja of nee, positief of negatief”, voegt Merkx toe. "Voor sommige toepassingen zou het beter zijn als we de concentratie van eiwitten of antilichamen in een monster zouden kunnen kwantificeren."
Met dit in gedachten ontwikkelden Merkx en het onderzoeksteameen nieuwe testaanpak. Die moest de nauwkeurigheid en gevoeligheid van de huidige laboratoriumgebaseerde methoden combineren met de snelheid en lage kosten van bestaande point-of-use tests. Het onderzoeksteam kreeg steun van het TU/e COVID19 Universiteitsfonds, de European Research Council (ERC) en de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).
De sleutel tot het detecteren en aangeven van de aanwezigheid van biomarkers of moleculen van belang is bioluminescentie, het proces dat organismen zoals vuurvliegjes gebruiken om licht te produceren. Merkx hierover: “Onze nieuwe sensor is gebaseerd op bioluminescentie, die we in ons eerdere onderzoek uitgebreid hebben gebruikt. Als er een bepaald eiwit of antilichaam in het monster aanwezig is, zullen speciale eiwitten, luciferase-enzymen genaamd, licht uitstralen: een 'glow-in-the-dark'-reactie."
Moleculair verkeerslicht
Een cruciaal onderdeel van de nieuwe sensor is dat hij altijd licht uitstraalt via bioluminescentie. Dus hoe weten de onderzoekers of er dan een biomarker is gedetecteerd? Door te zoeken naar een kleurverandering in het uitgestraalde licht, net als een moleculair verkeerslicht, vertelt Merkx. “Als het apparaat geen interessante biomarkers bevat, zendt één type luciferase-enzym groen licht uit. Het straalt altijd groen licht uit en het wordt niet beïnvloed wanneer een monster met biomarkers wordt toegevoegd. Maar het is een tweede luciferase-enzym dat de sleutel tot detectie bevat."
De onderzoekers splitsten dit tweede type luciferase-enzym in twee delen. Elk deel op zich doet niets en het enzym wordt pas actief als de twee delen worden verbonden. Elk deel van de luciferase is chemisch verbonden met antilichamen die verschillende delen van een biomarker herkennen. Wanneer een biomarker in een testmonster aanwezig is, binden de antilichamen aan de biomarker, en in het proces brengt dit de twee delen van de luciferase samen, wat leidt tot de emissie van blauw licht.
Meten lichtverhouding
Merkx: “Om de concentratie biomarker te kwantificeren, meten we de verhouding van het blauwe tot groene licht. Hoe meer blauw licht er zichtbaar is, hoe groter de concentratie biomarkers in het monster. Het is zelfs mogelijk om deze verhouding vast te leggen met een camera op een smartphone, op voorwaarde dat het monster in een zwarte plastic container wordt geplaatst die het omgevingslicht blokkeert.”
Dit staat bekend als ratiometrische detectie, wat tot uiting komt in de naam van de testaanpak RAPPID - ratiometrische plug-and-plug immunodiagnostiek. De onderzoekers hebben de nieuwe sensing-aanpak met het 'moleculair verkeerslicht' op verschillende biomarkers getest, waaronder een om bacteriële en virale infecties (C-reactive protein) op te sporen, met behulp van 40 patiëntmonsters in samenwerking met het Rijnstate ziekenhuis in Arnhem.
Gebruik in combinatie met smartphone
Het RAPPID-testplatform kan met een geschikte monsterhouder worden gebruikt in combinatie met een smartphone. Dat betekent dat het door iedereen en overal kan worden gebruikt. Er moet echter nog werk worden verzet voordat zijn nieuwe testplatform voor het grote publiek beschikbaar komt, stelt Merkx tot slot.
“We voorzien dat dit testplatform gebruikt kan worden voor of een breed scala aan toepassingen, zoals bij snelle screening en testen, voor therapeutische monitoring van antilichaam-geneesmiddelen geassocieerd met aandoeningen zoals reumatoïde artritis en inflammatoire darmaandoeningen, en voor de snelle detectie van infectieziekten die in verband kunnen worden gebracht met toekomstige epidemieën of pandemieën.”
Lees ook deze recente blog over de toekomst van super- en thuistesten voor infectieziekten.
