5分以内にCOVID-19を検出する迅速紙ベースセンサー

COVID-19パンデミックが世界中に拡大し続ける中、検査はウイルスの追跡と封じ込めの鍵となる戦略です。研究者たちは、ウイルスの存在を5分以内に検出できる、迅速で超高感度な紙ベース電気化学センサーを使用したテストを開発しました。

市場には2つの大きなカテゴリーのCOVID-19検査があります。第1は、逆転写リアルタイムポリメラーゼ連鎖反応（RT-PCR）と核酸ハイブリダイゼーション戦略を用いてウイルスRNAを特定するものです。欠点には、検査完了までの時間、専門人材の必要性、装置と試薬の入手性などがあります。第2は抗体検出に焦点を当てたものですが、ウイルス曝露から数日から数週間経たないと検出可能な抗体が産生されない遅延があります。

近年、研究者たちはグラフェンなどの2Dナノマテリアルを用いたポイントオブケアバイオセンサーの作成で一定の成功を収めています。これらのバイオセンサーの主な利点は、感度、低製造コスト、迅速な検出ターンアラウンドです。グラフェンは独自の機械的・電気化学的特性を示し、高感度電気化学センサーの開発に理想的です。チームは、電気的読み取りセットアップを備えたグラフェンベース電気化学バイオセンサーを作成し、SARS-CoV-2遺伝物質の存在を選択的に検出しました。

バイオセンサーには2つのコンポーネントがあります：電気的読み取りを測定するプラットフォームと、ウイルスRNAの存在を検出するプローブです。プラットフォームを作成するため、研究者たちはまずフィルターペーパーにグラフェンナノプレートレットの層をコーティングして導電性フィルムを作りました。次に、所定の設計の金電極をグラフェンの上に配置し、電気的読み取り用のコンタクトパッドとしました。金とグラフェンは両方とも高感度と高導電性を持つため、このプラットフォームは電気信号の変化を検出するうえで超高感度です。

現在のRNAベースCOVID-19検査は、SARS-CoV-2ウイルスのN遺伝子（ヌクレオカプシドホスホプロテイン）の存在をスクリーニングします。この研究では、チームはN遺伝子の2領域を標的とするアンチセンスオリゴヌクレオチド（ASO）プローブを設計しました。2領域を標的とすることで、一方の領域が遺伝子変異を起こした場合でもセンサーの信頼性を確保できます。金ナノ粒子（AuNP）はこれらの一本鎖核酸（ssDNA）でキャップされており、SARS-CoV-2 RNAに対する超高感度センシングプローブを表します。

研究者たちは以前の研究で、開発したセンシングプローブの感度を示していました。ウイルスRNAとこれらのプローブのハイブリダイゼーションにより、センサーの電気的応答に変化が生じます。AuNPキャップが電子移動を加速し、センシングプラットフォーム全体に広がることで、出力信号が増加し、ウイルスの存在を示します。

チームはCOVID-19陽性および陰性サンプルを用いてセンサーの性能をテストしました。センサーは陰性サンプルと比較して陽性サンプルで電圧の有意な増加を示し、5分以内にウイルス遺伝物質の存在を確認しました。さらに、センサーはこれらのサンプル中のウイルスRNA負荷を区別できました。ウイルス負荷は感染進行の重要な定量的指標であり、既存の診断手法では測定が困難です。

このプラットフォームは、携帯性と低コストにより広範な応用が期待されます。マイクロコントローラーやLEDスクリーン、またはBluetooth/WiFi経由でスマートフォンと統合すれば、医師の診療所や自宅でもポイントオブケアで使用可能です。COVID-19以外にも、チームはこのシステムが多くの異なる疾患の検出に適応可能と予見しています。