Kada su Srikanth Singamaneni i Gui Genin, oba profesora mašinstva i nauke o materijalima na McKelvei školi inženjeringa na Vašingtonskom univerzitetu u Sent Luisu, uspostavili novu saradnju sa istraživačima sa Medicinskog fakulteta krajem 2019. godine, nisu znali pejzaž istraživanja zaraznih bolesti bio je pred dramatičnim promenama. U konferencijskoj sali koja gleda na Forest Park u prelepom jesenjem danu, tim je imao jedan cilj na umu: uhvatiti se u koštac sa najvećim problemom zarazne bolesti sa kojim se svet suočava upravo tada.
„Srikant i ja smo imali viziju jednostavnog, kvantitativnog dijagnostičkog alata, pa smo se povezali sa lekarima za infektivne bolesti ovde u VashU i pitali ih: ‘Koja su najvažnija pitanja na koja bi se moglo odgovoriti ako biste mogli da dobijete zaista detaljne informacije jeftino na tačka nege?“, rekao je Genin, Harold i Kathleen Faught profesor mašinstva.
„Greg Storch nam je rekao da je jedan od najvažnijih izazova sa kojima se suočava oblast zaraznih bolesti pronalaženje načina da se brzo otkrije da li pacijent ima bakterijsku infekciju i da li treba da dobije antibiotike ili ima virusnu infekciju, za koju antibiotici neće biti efikasni. .“
Storch, MD, Ruth L. Siteman, profesorica pedijatrije na Medicinskom fakultetu, bila je zainteresovana za bolesti koje redovno pogađaju većinu ljudi – prehlade, strep grlo ili grip – ali one nisu dobile toliko istraživačke pažnje kao ređe bolesti. „Čak i uz veliki napredak koji je postignut u dijagnostici zaraznih bolesti, još uvek postoji niša za testove koji su jednostavni, brzi i osetljivi“, rekao je Storch. „Bilo bi posebno moćno kada bi mogli da pruže kvantitativne informacije. Testovi sa ovim karakteristikama mogli bi se koristiti u sofisticiranim laboratorijama ili na terenu.“
Oslanjajući se na svoje dugogodišnje iskustvo u razvoju nanomaterijala za primenu u biologiji i medicini, Singamaneni, profesor Lilian & E. Lisle Hughes, pokušao je da prevaziđe ova ograničenja u dijagnostičkim testovima na licu mesta. Singamaneni i njegova laboratorija razvili su ultrasvetle fluorescentne nanoetikete nazvane plazmonski fluori, koje bi se mogle brzo integrisati u zajedničku platformu za testiranje, test bočnog protoka (LFA).
LFA poboljšane plazmonom (p-LFA) poboljšavaju jeftine, lako dostupne brze testove do nivoa osetljivosti koji lekari zahtevaju za poverenje u rezultate testa bez potrebe za potvrdom u laboratoriji.
Prema nalazima objavljenim 2. februara u Nature Biomedical Engineering, p-LFA tima su 1.000 puta osetljiviji od konvencionalnih LFA, koji pokazuju rezultate putem vizuelne boje i fluorescentnog signala na traci. Kada se analiziraju pomoću fluorescentnog skenera, p-LFA su takođe znatno brži od laboratorijskih testova po zlatnom standardu, dajući rezultate za samo 20 minuta umesto za nekoliko sati, sa uporedivom ili poboljšanom osetljivošću. P-LFA mogu otkriti i kvantifikovati koncentracije proteina, omogućavajući im da otkriju bakterijske i virusne infekcije, kao i markere zapaljenja koji ukazuju na druge bolesti.
„Plazmonski fluori se sastoje od metalnih nanočestica koje služe kao antene za povlačenje svetlosti i pojačavanje emisije fluorescencije molekularnih fluorofora, čineći ga ultrasvetlim nanočesticama“, objasnio je Singamaneni.
„Naši p-LFA mogu da pokupe čak i veoma male koncentracije antitela i antigena, tipične markere infekcije, i daju kliničarima jasne, brze rezultate bez potrebe za specijalizovanom opremom. Za kvantitativno testiranje nakon početnog skrininga, ista LFA traka može biti skeniran fluorescentnim čitačem, omogućavajući brzo i ultraosetljivo kolorimetrijsko i fluorometrijsko otkrivanje markera bolesti samo jednim testom.“
„To je kao da pojačate jačinu zvuka na standardnim test trakama koje menjaju boju. Umesto da dobijete bledu liniju koja ukazuje samo na pozitivan ili negativan rezultat, novi p-LFA daju jasnije rezultate sa manje čestica, omogućavajući da se pređe sa jednostavnog „da ili ne?’ na tačno ‘koliko?’ uz pomoć jeftinog, prenosivog skenera“, rekao je Jeremiah Morrissei, istraživački profesor anesteziologije na Odeljenju za klinička i translaciona istraživanja na Medicinskom fakultetu. Morrissei je koautor nove studije i dugogodišnji saradnik laboratorije Singamaneni.
Ova poboljšana sposobnost testiranja ima očigledne prednosti za populaciju koja je sada previše upoznata sa potrebom za brzim i pouzdanim rezultatima testa i rizikom od lažnih negativnih rezultata.
„Kada smo se 2019. pozabavili ovim problemom, mislili smo da će naš najveći izazov biti da dobijemo adekvatan broj uzoraka od bolesnih ljudi“, priseća se Genin. „Gde bismo na Zemlji mogli da nađemo ogroman skup uzoraka pacijenata čiji su simptomi pažljivo dokumentovani i čija je dijagnoza potvrđena sporim i skupim PCR testovima?“ Za nekoliko meseci, COVID-19 bi izbrisao tu prepreku i uveo čitav niz novih izazova i mogućnosti.
„Pandemija je bila veliki pomak za nas, kao i za sve“, rekao je prvi autor Rohit Gupta, koji je radio na p-LFA studiji kao diplomirani student u Singamanenijevoj laboratoriji, a sada je viši naučnik u Pfizeru. „Morali smo da se odmaknemo od našeg prvobitnog fokusa na razlikovanje virusa od bakterija, ali se pokazalo da je to bila prilika da se bavimo praktičnim naukama sa stvarnim ulozima. Radili smo sa epidemiolozima da bismo dobili uzorke za testiranje, sa dijagnostičarima da uporede naš test sa šta je bilo dostupno, i sa kliničarima da steknu uvid u stvarne potrebe za brigom o pacijentima.“
Ulaz iz celokupne saradnje pomogao je Gupti i Singamaneniju da usavrše dizajn p-LFA, koji je na kraju postigao 95% kliničke osetljivosti i 100% specifičnosti za SARS-CoV-2 antitela i antigene. Genin je rezultate opisao kao zapanjujuće.
„Nismo znali da će tako dobro funkcionisati“, rekao je on. „Znali smo da će to biti dobro, ali nismo znali da će ovaj test od 1 dolara sa uređajem za očitavanje od 300 dolara biti mnogo bolji – 10 puta bolji – od najsavremenije tehnologije koju smo svi koristili tokom pandemije COVID-a.
Sada kada su dokazali da p-LFA mogu nadmašiti standardne laboratorijske testove u osetljivosti, brzini, praktičnosti i ceni za jednu bolest, tim želi da razvije nove aplikacije za tehnologiju, uključujući povratak svom prvobitnom cilju identifikacije bakterijskih i virusnih infekcija i dostavljanje njihovog dijagnostičkog alata u ruke lekara širom sveta.
Tehnologija p-LFA je licencirana kompaniji Auragent Bioscience LLC od strane Kancelarije za upravljanje tehnologijom Univerziteta Vašington. Singamaneni i Morisi su među suosnivačima Auragent-a, VashU startapa.
„Očekujemo da ćemo p-LFA imati komercijalno dostupne u naredne godinu do dve“, rekao je Singamaneni. „Trenutno radimo na poboljšanju naše tehnologije prenosnog skenera, koja dodaje osetljiviju, fluorescentnu sposobnost čitanja test trakama pored promene boje koja se može videti golim okom. Mislimo da možemo da dobijemo taj trošak sve do tačke u kojoj je dostupan ruralnim klinikama u SAD i inostranstvu, što je bio jedan od naših prvobitnih ciljeva.“
„Takođe smo uzbuđeni zbog potencijala da otkrijemo mnogo više bolesti od COVID-a, možda koristeći flaster na koži koji može uzeti bezbolan uzorak“, dodao je Singamaneni. „Ova tehnologija ima potencijal da otkrije bilo koji broj bolesti, u rasponu od SPI do respiratornih infekcija i više, kao i citokine koji ukazuju na upalu koja se vidi u stanjima kao što su reumatoidni artritis i sepsa.
