Νανοτεχνολογία σε διαγνωστικές τεχνικές για SARS-CoV-2

Περίληψη

Η πρόοδος της νανοτεχνολογίας είναι σημαντική για τη διάγνωση του COVID-19. Η προστασία και η διάγνωση είναι απαραίτητες για τον έλεγχο της εξάπλωσης της λοίμωξης. Η νανοτεχνολογία προσφέρει νέες τεχνικές για ταχεία διάγνωση, ανίχνευση λοίμωξης σε πρώιμο στάδιο και ταυτοποίηση του COVID-19. Λόγω του μικρότερου μεγέθους τους και της μεγαλύτερης επιφάνειας, τα προϊόντα νανοτεχνολογίας μπορούν να ανιχνεύσουν την ασθένεια με υψηλή ακρίβεια. Καθώς τα συμπτώματα του COVID-19 είναι πολύ συγκρίσιμα με εκείνα άλλων αναπνευστικών ασθενειών, είναι απαραίτητο να υπάρχουν ακριβή, ευαίσθητα και γρήγορα διαγνωστικά εργαλεία για την ανίχνευση της λοίμωξης σε πρώιμο στάδιο.

Λέξεις-κλειδιά: νανοτεχνολογία, COVID-19, διάγνωση

1. Εισαγωγή

Η νόσος του κορωνοϊού 2019 (COVID-19) που προκαλείται από το σοβαρό οξύ αναπνευστικό σύνδρομο κοροναϊός 2 (SARS-CoV-2) είναι ένα παγκόσμιο ζήτημα υγείας που ο ΠΟΥ ανακοίνωσε πανδημία. Ο COVID-19 έχει οδηγήσει σε ένα παγκόσμιο lockdown και έχει θέσει σε κίνδυνο την παγκόσμια οικονομία. Ο SARS-CoV-2 εξαπλώθηκε γρήγορα σε όλο τον κόσμο, δημιουργώντας μια παγκόσμια πανδημία που υπερτερεί αριθμητικά. Αυτός ο ιός μπορεί να μεταδοθεί από άνθρωπο σε άνθρωπο μέσω σταγονιδίων και στενής επαφής και άνθρωποι όλων των ηλικιών εκτίθενται σε αυτόν τον ιό. Το ξέσπασμα του COVID-19 άσκησε διεθνή πίεση στις σύγχρονες κοινωνίες, ειδικά στις υποδομές που συνδέονται με την υγειονομική περίθαλψη. Ως εκ τούτου, απαιτούνται επειγόντως διαγνωστικές εξετάσεις ειδικά για αυτήν την ασθένεια για τη διασφάλιση θετικών κρουσμάτων, τον έλεγχο ασθενών και την εκτέλεση ιικής επιτήρησης. Τα διαγνωστικά μπορεί να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην πρόληψη του COVID-19, επιτρέποντας τη γρήγορη εκτέλεση διαχειριστικών ενεργειών που περιορίζουν την εξάπλωση με τον εντοπισμό και την απομόνωση περιπτώσεων και μέσω της ανίχνευσης επαφών. Κατά συνέπεια, ο κόσμος αντιμετωπίζει μια νέα πρόκληση: να δημιουργήσει εξαιρετικά γρήγορες, εξαιρετικά ευαίσθητες συσκευές και εργαλεία ανάλυσης νανοκλίμακα ή συστήματα ανίχνευσης (π.χ. νανοβιοαισθητήρες) που είναι εξαιρετικά αποτελεσματικά στην ανίχνευση του νέου κοροναϊού του 2019 (COVID-19) ή σοβαρό οξύ αναπνευστικό σύνδρομο (SARS) [3, 10, 17].

Με τις εξελίξεις στη νανοτεχνολογία, οι εξαιρετικές τους ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της ικανότητάς τους να ενισχύουν το σήμα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη νανοβιοαισθητήρων και διαδικασιών νανοαπεικόνισης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ανίχνευση σε πρώιμο στάδιο μαζί με άλλα διαγνωστικά εργαλεία. Η νανοτεχνολογία εξετάζεται διεξοδικά για την προοπτική της στην ανάπτυξη διαγνωστικών τεχνικών, θεραπευτικών, εμβολίων και στρατηγικών για την ελάφρυνση του φόρτου της υγειονομικής περίθαλψης [10].

2. Τρέχουσες εργαστηριακές μέθοδοι για τη διάγνωση του SARS-CoV-2

Η διάγνωση του COVID-19 βασίζεται στην ανάλυση της αντίδρασης του ασθενούς λόγω της νόσου ή στη μελέτη του περιεχομένου του ιού, π.χ. RNA ή πρωτεΐνης του. Η θερμοκρασία του ασθενούς (αυξημένη θερμοκρασία), το αίσθημα εξάντλησης και η δυσκολία στην αναπνοή υποδηλώνουν μόλυνση. Ωστόσο, αυτά τα συμπτώματα δεν είναι ιδιαιτέρως και μπορεί να παρατηρηθούν λόγω μόλυνσης με άλλα παθογόνα. Οι παθολογικές τροποποιήσεις του ασθενούς σε όργανα όπως ο θώρακας μπορούν να παρατηρηθούν μέσω υπολογιστικής τομογραφίας (CT). Μια αξονική τομογραφία μπορεί να είναι μια αξιόπιστη εξέταση για τον προσυμπτωματικό έλεγχο των περιπτώσεων SARS-COV 2 όπως άλλοι τύποι πνευμονίας. Ωστόσο, η ανάλυση απαίτησε εξειδικευμένο εξοπλισμό και απέτυχε να καλύψει μια σημαντική κλίμακα απαιτήσεων. Ο COVID-19 μπορεί να διαγνωστεί μέσω εργαστηριακών μετρήσεων. Αυτές οι μέθοδοι χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μελέτη ασθενών. Δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση μολυσμένων δειγμάτων όπως η επιφάνεια και ο αέρας [1].

Φιγούρα 1. Μέθοδοι διάγνωσης για τον COVID-19.

Έχουν αναπτυχθεί αρκετές μέθοδοι για τη διάγνωση του COVID-19. Οι κύριες δοκιμές για τη διάγνωση μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κύριες κατηγορίες [1]:

1. Γενετικές δοκιμές (δοκιμές ιικού νουκλεϊκού οξέος): ανάλυση του ιικού γονιδιώματος χρησιμοποιώντας μεθόδους όπως ποσοτική αλυσιδωτή αντίδραση αντίστροφης μεταγραφής-πολυμεράσης σε πραγματικό χρόνο (RT-qPCR), ισοθερμική ενίσχυση (π.χ. ισοθερμική ενίσχυση μέσω βρόχου (LAMP), νουκλεϊκό οξύ ενίσχυση βάσει αλληλουχίας (NASBA), ενίσχυση με μεσολάβηση μεταγραφής (TMA), ενίσχυση κυλιόμενου κύκλου (RCA), Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR)) και στοχευμένη αλληλουχία νανοπόρου (NTS).
2. Δοκιμές αντιγόνου:ανάλυση των ιικών πρωτεϊνών (πρωτεΐνες αιχμής που συνδέονται με τη μεμβράνη ή πρωτεΐνες νουκλεοκαψιδίου) με χρήση τεχνικών όπως χρωματομετρία, τρανζίστορ πεδίου δράσης (FET), ενζυμική ανοσοπροσροφητική δοκιμασία (ELISA) και φασματομετρία μάζας ( ΚΥΡΙΑ)
3. Ορολογικές εξετάσεις: ανάλυση των αντισωμάτων (ανοσοσφαιρίνη M (IgM) και ανοσοσφαιρίνη G (IgG)) έναντι του ιού [18, 19]. Η μελέτη των αντισωμάτων του ασθενούς μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας μεθόδους όπως ηλεκτρικοί (EC) βιοαισθητήρες, εντοπισμένος επιφανειακός συντονισμός πλασμονίου (LSPR), ενισχυμένη επιφανειακή σκέδαση Raman (SERS), μικροζυγός κρυστάλλων χαλαζία (QCM), βιοαισθητήρας με βάση φθορισμό, χρωματομετρική βιοαισθητήρας, ανοσοχρωματογραφία χρυσού, ELISA, ανοσοδοκιμασία χημειοφωταύγειας και πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες μικροκάνουλας (PEMS).

Δυστυχώς, πολλές παραδοσιακές μέθοδοι ανίχνευσης αναπνευστικών ιών, όπως το RT-PCN έχουν πολλά μειονεκτήματα. Αυτά περιλαμβάνουν χρονοβόρες, δαπανηρές, δεν είναι πάντα προσδιορίσιμες ή αναπαραγώγιμες και απαιτούν εξειδικευμένο προσωπικό και άλλες τεχνικές εγκαταστάσεις.

Σχήμα 2. Μειονεκτήματα των παραδοσιακών μεθόδων .

3. Νανοτεχνολογία

Η νανοτεχνολογία προσφέρει νέες τεχνικές για ταχεία διάγνωση, ανίχνευση λοιμώξεων σε πρώιμο στάδιο και ταυτοποίηση λοιμωδών παθογόνων που προκαλούν την πανδημία, ιδιαίτερα για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας και της ποιότητας της διαδικασίας ανίχνευσης με τη χρήση νανοβιοαισθητήρων. Επιπλέον, οι νέες νανοδομές και οι νανοαισθητήρες εμφανίζουν ιδιότητες και επιδόσεις απαρατήρητες σε μακροσκοπικό επίπεδο, σημαντικά για τον εντοπισμό και την ανίχνευση περιπτώσεων σε επίπεδο νανοκλίμακα [3].

Η νανοτεχνολογία μπορεί να βελτιώσει τη διάγνωση του COVID-19 και να προτείνει μια διαγνωστική μέθοδο αιχμής που βασίζεται σε μια τεχνολογία ανίχνευσης Point Of Care (POC). Επιπλέον, μπορεί να διασυνδεθεί με τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης (AI) και βιοαισθητήρες ενσωματωμένους στο Διαδίκτυο ιατρικών πραγμάτων (IoMT) για τη μελέτη πρακτικής πληροφορικής μέσω αποθήκευσης, κοινής χρήσης και ανάλυσης δεδομένων. Επίσης, μπορούν να παρακάμψουν τις παραδοσιακές διαδικασίες όπως η χαμηλή ευαισθησία, η χαμηλή επιλεκτικότητα, το υψηλό κόστος και ο εκτεταμένος διαγνωστικός χρόνος. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν νέες μέθοδοι για ανάλυση δείγματος χωρίς πόνο, όπως η ανάλυση του σάλιου του ασθενούς με τη χρήση ανιχνευτή οξειδίου γραφενίου (GO)/Au/Fiber Grating Bragg (FBG). Η νανοτεχνολογία μπορεί να προωθήσει τεχνολογίες όπως βιοαισθητήρες χωρίς ετικέτα, δοκιμές πλευρικής ροής χαρτιού, οπτικές τεχνολογίες και ψηφιακές τεχνολογίες [1].

3.1. Νανοβιοαισθητήρες

Η μεγαλύτερη υπεροχή των ιικών εστιών μπορεί να αποδοθεί στα ακατάλληλα εργαλεία ανίχνευσης που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση των μεταδοτικών παραγόντων. Κατά συνέπεια, αυτό απαιτεί ένα εργαλείο ανίχνευσης ή διάγνωσης που να είναι ισχυρό, γρήγορο, απαιτητικό και ακριβές ως προς τις βιοαισθητήρες του ιδιότητες. Οι βιοαισθητήρες μπορούν να χαρακτηριστούν ως αναλυτικά όργανα που μπορούν να εκτιμήσουν χαμηλές συγκεντρώσεις μιας αναλυόμενης ουσίας σε βιολογικά δείγματα (όπως ο ανθρώπινος ορός, αίμα, δάκρυα, σάλιο κ.λπ.). Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά ποιοτικά και ποσοτικά κιτ δοκιμών, αυτοί οι βιοαισθητήρες είναι ευνοϊκά ακριβείς και ευαίσθητοι στον κατευθυνόμενο στόχο [15].

Εικόνα 3. Ταξινόμηση και εφαρμογές διαφόρων βιοαισθητήρων.

Η ανάγκη για ακρίβεια και ταχύτητα στη διάγνωση του COVID-19 δεν καλύπτεται από τις παραδοσιακές μεθόδους ορολογικών δοκιμών και αλυσιδωτής αντίδρασης ανάστροφης μεταγραφής-πολυμεράσης (RT-PCR), οι οποίες χρησιμοποιούνται συνήθως για την ανίχνευση και τη διάγνωση του COVID-19. Αυτή η προϋπόθεση μπορεί να εκπληρωθεί με τη χρήση υπερευαίσθητων νανοβιοαισθητήρων που παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανίχνευση του νέου κοροναϊού. Οι νανοβιοαισθητήρες παρέχουν μια γρήγορη, οικονομικά αποδοτική, ακριβή και μικροσκοπική πλατφόρμα για την ανίχνευση του SARS-CoV-211 . Οι βιοαισθητήρες τυπικά περιλαμβάνουν ένα μόριο βιολογικής αναγνώρισης ακινητοποιημένο στην επιφάνεια ενός μετατροπέα σήματος και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ανάλυση, διάγνωση, προστασία, ασφάλεια και δοκιμή μεγαλύτερων πληθυσμών [3].

Οι νανοβιοαισθητήρες παρέχουν πολλά πλεονεκτήματα που προκαλούν αποτελεσματική ανίχνευση, όπως [3]:

• Αποδοτική
• Μακρά αυτοζωή.
• Εύχρηστος
• Αυτονόμος
• Ακρίβεια
• Φορητότητα
• Γρήγορη απάντηση
• Υψηλή ευαισθησία
• Δυνατότητες πολυπλεξίας.
• Βιώσιμη διαδικασία.

Οι νανοβιοαισθητήρες είναι συσκευές στις οποίες ο μορφοτροπέας τροποποιείται για να πιάσει το στοιχείο στόχο, να μετατρέψει τη βιολογική απάντηση σε ηλεκτρικά σήματα και να την ανιχνεύσει γρήγορα με υψηλή ακρίβεια. Οι φυσικές αποκρίσεις μπορούν να υπολογιστούν προσδιορίζοντας τους κατάλληλους βιοϋποδοχείς, όπως νουκλεϊκά οξέα, αντιγόνα, ανιχνευτής DNA, πεπτίδιο, ολόκληρα κύτταρα, μικροοργανισμούς και ιστούς. Αυτοί οι υποδοχείς είναι εύκολα αναγνωρίσιμοι, εξαιρετικά ευαίσθητοι και ανιχνεύουν συγκεκριμένο βιοαναλύτη. Διάφοροι τύποι βιοϋποδοχέων έχουν διερευνηθεί για τη σύλληψη των ιών, όπως τα νουκλεϊκά οξέα (NA), η ανοσοσυγγένεια και η πρωτεΐνη σε πολλαπλούς νανοβιοαισθητήρες με βάση την ηλεκτροχημική, την σύνθετη αντίσταση, τη μικροϊσορροπία κρυστάλλων χαλαζία και τον οπτικό και επιφανειακό συντονισμό πλασμονίου. Το μόριο στόχος συνδέεται με τον βιοϋποδοχέα για να πιάσει ένα βιολογικό μόριο από μια ασυνήθιστη αντίδραση. Στη συνέχεια, ο μορφοτροπέας με ενσωματωμένο μόριο από μια συγκεκριμένη απόκριση. Στη συνέχεια, ο μορφοτροπέας με ενσωματωμένες νανοδομές μετατρέπει την ανίχνευση σε ηλεκτρικό σήμα που ορίζεται από τον ανιχνευτή (Εικ. 4) [3].

Εικόνα 4. Το σχηματικό διάγραμμα διαφορετικών αναλυτών, βιοϋποδοχέων για στοιχεία βιοαναγνώρισης, μετατροπείς με ενσωματωμένες νανοδομές ως μέρη ενός τυπικού σχεδιασμού νανοβιοαισθητήρα για αναπνευστικούς ιούς.

Οι νανοβιοαισθητήρες που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση κορωνοϊών SARS ή MERS μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με βάση το βιολογικό μόριο του ιικού στόχου (νουκλεϊκά οξέα, αντιγόνα ή αντισώματα) σε νουκλεϊκό οξύ σε βιοαισθητήρα νουκλεϊκού οξέος, βιοαισθητήρα με βάση αντιγόνο και αντισώματα βασισμένος βιοαισθητήρας (Εικ. 5) [3]4 .

Εικόνα 5. Σχηματική αναπαράσταση διαφορετικών ταξινομήσεων βιοαισθητήρων για την ανίχνευση κορωνοϊών SARS και MERS

3.1.1. Ηλεκτροχημικοί Νανοβιοαισθητήρες

Οι ηλεκτροχημικοί βιοαισθητήρες είναι ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος και ευνοϊκά ευνοϊκός τύπος χώρων ανίχνευσης. Σύμφωνα με τον ορισμό της Διεθνούς Ένωσης Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας (IUPAC), ο ηλεκτροχημικός βιοαισθητήρας είναι «μια αυτόνομη ολοκληρωμένη συσκευή που είναι ικανή να παρέχει συγκεκριμένες ποσοτικές ή ημιποσοτικές αναλυτικές πληροφορίες χρησιμοποιώντας ένα στοιχείο βιολογικής αναγνώρισης (βιοχημικό υποδοχέα) που διατηρείται σε άμεση χωρική επαφή με ένα στοιχείο ηλεκτροχημικής μεταγωγής.» [8, 13].

Ένας ηλεκτροχημικός νανοβιοαισθητήρας είναι μια συσκευή μοριακής ανίχνευσης που συνδυάζει ένα συμβάν βιολογικής αναγνώρισης με έναν μετατροπέα ηλεκτροδίου για να δημιουργήσει ένα χρησιμοποιήσιμο ηλεκτρικό σήμα. Επειδή οι ηλεκτροχημικοί νανοαισθητήρες περιλαμβάνουν ηλεκτρόδια, οι ιδιότητες των ημιαγωγών, οι διηλεκτρικές ιδιότητες και η κατανομή φορτίου είναι κρίσιμα στοιχεία [3].

Εικόνα 6. Σχέδιο που δείχνει στοιχεία σχεδιασμού βιοαισθητήρα που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση δειγμάτων αναλυόμενης ουσίας-στόχου, με ιδιαίτερη έμφαση στη χρήση μιας πλατφόρμας ηλεκτροχημικής βιοαισθητήρας που μετατρέπει τις βιοχημικές πληροφορίες σε σήματα ρεύματος ή τάσης σε μια επιφάνεια ηλεκτροχημικού μορφοτροπέα.

Τα κύρια οφέλη των ηλεκτροχημικών βιοαισθητήρων είναι [5, 11]:

• Εύκολη ανάπτυξη.
• Δυνατότητα μικρογραφίας
• Υψηλή ευαισθησία
• Σχετικά χαμηλό κόστος.

Οι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες είναι μια ελκυστική επιλογή για την ανίχνευση μιας ποικιλίας βιομορίων, επειδή μπορούν να συνδυαστούν ομαλά με πολλαπλές μονάδες όπως α. μικροηλεκτρονικά κυκλώματα χαμηλού κόστους β. μικροσκοπικό εργαστήριο-σε-τσιπ, γ. διασύνδεση με ηλεκτρονική ανάγνωση, και δ. μονάδα επεξεργασίας σήματος. Οι ηλεκτροχημικοί βιοαισθητήρες όντας ευαίσθητοι, εύκολοι στη σμίκρυνση, απαιτούν μικρούς όγκους αναλυόμενης ουσίας, το ανώτερο όριο ανίχνευσης αναλυόμενης ουσίας και εμφάνισης επί τόπου αποτελεσμάτων προτιμώνται περισσότερο στην ιατρική διαγνωστική και σε πολλούς άλλους ερευνητικούς τομείς, συμπεριλαμβανομένης της ασφάλειας των τροφίμων και της περιβαλλοντικής παρακολούθησης [8].
Ο ηλεκτροχημικός βιοαισθητήρας μπορεί να κατηγοριοποιηθεί με βάση τις λειτουργίες του μορφοτροπέα που χρησιμοποιούνται για μετρήσεις σήματος. Αυτές περιλαμβάνουν πλατφόρμες μεταγωγής αγωγιμότητας και επιφανειακής φόρτισης, αμπερομετρίας και ποτενσιομετρίας. Η γενική αρχή του ηλεκτροχημικού βιοαισθητήρα (βιοηλεκτροχημεία) καθιερώνεται στην ηλεκτροχημική απόκριση που λαμβάνει χώρα πάνω ή κοντά στο ηλεκτρόδιο και ή μεταξύ των ηλεκτροδίων που οδηγούν σε. (i) ένα μετρήσιμο σήμα ρεύματος (αμπερομετρικό), (ii) σωρευτικό φορτίο ή δυναμικό (ποτενσιομετρικό) ή (iii) αλλαγές στην αγωγιμότητα του μέσου (αγωγιμότητα). [8].

Εικόνα 7. Ταξινόμηση των ηλεκτροχημικών βιοαισθητήρων με βάση τον τύπο του μορφοτροπέα και τις λειτουργίες σήματος.

Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ηλεκτροχημικοί νανοβιοαισθητήρες για την αναγνώριση ιικών νουκλεϊκών οξέων. Ένας ηλεκτροχημικός γονοαισθητήρας που αναπτύχθηκε για την ανίχνευση του SARS αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας μια μονοστιβάδα θειολιωμένων ολιγονουκλεοτιδίων αυτοσυναρμολογημένων σε ηλεκτρόδια άνθρακα επικαλυμμένα με νανοσωματίδια χρυσού. Οι ολιγονουκλεοτιδικές αλληλουχίες είναι ακριβείς στην νουκλεοκαψιδική πρωτεΐνη του SARS και η ιογενής μόλυνση ανιχνεύεται μέσω ενζυματικής ενίσχυσης του ιικού DNA. Ο νανοβιοαισθητήρας βοηθά στην ευπαθή ανίχνευση του SARS. Ένας ηλεκτροχημικός νανοβιοαισθητήρας που κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας νανοσωματίδια χρυσού που άλλαξε με ηλεκτρόδιο άνθρακα και ανασυνδυασμένη πρωτεΐνη ακίδας S1 ως βιοδείκτη σχεδιάστηκε για την ανίχνευση MERS-CoV. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση κρατά επίσης την υπόσχεση για την ανίχνευση κοροναϊών. Λόγω της ηλεκτρικής του αγωγιμότητας, ο βιοαισθητήρας δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας υπόστρωμα εμπλουτισμένο με φθόριο και νανοσωματίδια χρυσού ως ενισχυτή σήματος. [10].

Η τροποποίηση διεπαφών ηλεκτροχημικής ανίχνευσης με νανοσωματίδια χρυσού (AuNPs) παρουσιάζει βελτιωμένες εφαρμογές και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση του MERS-CoV. Τα AuNPs λειτουργούν ως διεπαφές εργασίας που διαθέτουν ηλεκτροκαταλυτικές ιδιότητες και επιτρέπουν την ενίσχυση της ηλεκτρικής αντίδρασης (Εικόνα 8). Ένας ανοσοαισθητήρας σχεδιάστηκε για να ανιχνεύει τον ιό MERS-CoV που συνδέει την προοπτική ηλεκτροχημικών αισθητήρων και νανοσωματιδίων χρυσού. Ο νανοβιοαισθητήρας έχει αναπτυχθεί με μια δέσμη νανοσωματιδίων χρυσού επικαλυμμένα με ηλεκτρόδιο άνθρακα.

Εικόνα 8. Βήματα λειτουργίας για την ηλεκτροχημική πλατφόρμα ανίχνευσης COVID-19: (Α) συλλογή δειγμάτων μέσω του ρινικού επιχρίσματος ή σάλιου, (Β) εξαγωγή RNA, (Γ) ακινητοποίηση εκχυλίσματος RNA στην κορυφή της πλατφόρμας γραφενίου-ssDNA-AuNP, (D ) επώαση 5 λεπτών και (Ε) καταγράψτε την ψηφιακή ηλεκτροχημική έξοδο.

Έχει παρατηρηθεί ότι η πρωτεΐνη ανασυνδυασμένης ακίδας (S1) ακινητοποιείται σε νανοσωματίδια χρυσού και ανταγωνίζεται τα σωματίδια του ιού για τη σύνδεση με το αντίσωμα. Όταν απουσιάζει η μόλυνση από τον ιό, προσκολλάται στην ακινητοποιημένη πρωτεΐνη ακίδας. Επειδή αυτή η μέθοδος νανοβιοαισθητήρα έχει μια ομάδα ηλεκτροδίων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση διαφόρων κοροναϊών [5, 10] .

 Ηλεκτροχημική ανίχνευση του SARS-CoV-2 με διασύνδεση γραφενίου

Οι πλατφόρμες ηλεκτροχημικής μεταγωγής μπορούν να ανιχνεύσουν ιούς ή οποιαδήποτε ζωντανά μικροβιακά παθογόνα χρησιμοποιώντας τα συγκεκριμένα στοιχεία βιοαναγνώρισής τους. Υπάρχουν διάφοροι εναλλακτικοί τρόποι για την ηλεκτροχημική ανίχνευση μηχανισμών που προκαλούν ασθένειες. Ωστόσο, η ανίχνευση γενετικών δεικτών που χρησιμοποιούν ηλεκτροχημικές πλατφόρμες ανίχνευσης δεν είναι επιρρεπής σε ανιχνεύσεις ιών λόγω των μη ανιχνεύσιμων ιικών τίτλων τους, ιδιαίτερα στην πρώιμη έναρξη των ιογενών λοιμώξεων [8, 14].

Τα τρέχοντα χρόνια, έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες για την εφαρμογή στρατηγικών παρόμοιων με τα ηλεκτροχημικά γλυκόμετρο για την ανίχνευση ιών ή ιογενών λοιμώξεων. Οι Torrente-Rodríguez και όλοι ανέπτυξαν χαμηλού κόστους ενσωματωμένο φορητό ηλεκτροχημικό βιοαισθητήρα γραφενίου για ταχεία διάγνωση και βιοχημικούς δείκτες παρακολούθησης σε δείγματα ορού και σάλιου για το COVID-19 [8, 14].

Τα ηλεκτροχημικά ηλεκτρόδια αισθητήρων ήταν εγγεγραμμένα με γραφένιο σε ένα εύκαμπτο πολυμερικό υπόστρωμα πολυιμιδίου (PI) για πολυπλεγμένη ανίχνευση βιοδεικτών ιογενούς μόλυνσης (αντιγόνα και αντισώματα). Ο Torrente-Rodríguez και όλοι κατέδειξαν ποσοτική ανίχνευση συγκεκριμένων βιοδεικτών του COVID-19, όπως η πρωτεΐνη ακίδας SARS-CoV-2 (S1), η νουκλεοκαψιδική πρωτεΐνη του SARS, η CRP, ένας πρωτεϊνικός βιοδείκτης για φλεγμονή εντός φυσιολογικά σχετικών ορίων τόσο στο αίμα όσο και στο σάλιο και ειδικές ανοσοσφαιρίνες (Igs) όπως S1-IgM και S1-IgG. Αυτός ο χώρος χρησιμοποιεί κατασχεμένα αντιγόνα και αντισώματα σε ηλεκτρόδια γραφενίου με αυξημένη ευαισθησία με ικανότητα πολυπλεξίας για ανίχνευση πολλών κατασκευαστών SARS-Co-V2, ενώ τα δεδομένα απόκρισης που προκύπτουν μεταδίδονται ασύρματα σε φορητή κινητή συσκευή. Αυτός ο τύπος μικροσκοπικής ηλεκτροχημικής πλατφόρμας δείχνει μια μεγάλη υπόσχεση για τις μελλοντικές ηλεκτροχημικές συσκευές PoC και εξατομικευμένες συσκευές υγειονομικής περίθαλψης [8, 14].

3.1.2. Οπτικοί Νανοβιοαισθητήρες

Λόγω των εξαιρετικών χαρακτηριστικών των οπτικών βιοαισθητήρων, όπως υψηλή ευαισθησία, χωρίς ετικέτες, στιβαρότητα, ανοσία σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, υπολογιστικές οπτικές εξόδους, δυνατότητα σμίκρυνσης, δυνατότητες ολοκλήρωσης, φορητότητα, ικανότητα πολυπλεξίας και παροχή ταυτόχρονης ανίχνευσης διαφόρων στόχων, οπτικοί βιοαισθητήρες χρησιμοποιούνται ως διαγνωστικά εργαλεία για τη μόλυνση του αναπνευστικού ιού. Έτσι, οι οπτικοί βιοαισθητήρες είναι κατάλληλοι για τη ζώνη του σημείου φροντίδας [9, 10].

Εικόνα 9. Μια ασύρματη πλατφόρμα τηλεϊατρικής με βάση το γραφένιο (SARS-CoV-2 RapidPlex) για ταχεία και πολλαπλή ηλεκτροχημική ανίχνευση του SARS-CoV-2 σε αίμα και σάλιο (Α) Σχηματική απεικόνιση της πλατφόρμας τηλεϊατρικής πολλαπλών αισθητήρων SARS-CoV-2 RapidPlex για ανίχνευση Ιικές πρωτεΐνες SARS-CoV-2, αντισώματα (IgG και IgM) και φλεγμονώδης βιοδείκτης C-αντιδρώσα πρωτεΐνη (CRP). Τα δεδομένα μπορούν να μεταδοθούν ασύρματα σε μια κινητή διεπαφή χρήστη. WE, ηλεκτρόδιο εργασίας. CE, αντίθετο ηλεκτρόδιο. RE, ηλεκτρόδιο αναφοράς. (Β) Μαζικής παραγωγής συστοιχίες αισθητήρων γραφενίου χαραγμένες με λέιζερ. (Γ) Φωτογραφία μιας μιας χρήσης και εύκαμπτης συστοιχίας γραφενίου. (Δ) Εικόνα συστήματος SARS-CoV-2 RapidPlex με διάταξη αισθητήρων γραφενίου συνδεδεμένη σε πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος για επεξεργασία σήματος και ασύρματη επικοινωνία.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα, οι νανονήσους χρυσού και το γραφένιο χρησιμοποιούνται κυρίως σε οπτικούς και ηλεκτροχημικούς βιοαισθητήρες. Νανονησί χρυσού κατασκευασμένα από μικροσκοπικές νανοδομές χρυσού μπορούν να κατασκευαστούν με τεχνητά συντιθέμενους υποδοχείς DNA και συμπληρωματικές αλληλουχίες RNA του SARS-CoV-2 σε γυάλινο υπόστρωμα. Επειδή το COVID-19 είναι ένας μονόκλωνος ιός RNA, ο υποδοχέας του νανοβιοαισθητήρα δρα ως συμπληρωματική διαδοχή της αλληλουχίας RNA του κοροναϊού και ανιχνεύει τον ιό. Το LSPR (τοπικός συντονισμός πλασμονίου επιφανείας) χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση της δέσμευσης της αλληλουχίας RNA στον αισθητήρα. Μετά τη σύνδεση των μορίων στην επιφάνεια του νανοβιοαισθητήρα, ο τοπικός δείκτης υπερύθρων αλλάζει και ένας οπτικός νανοβιοαισθητήρας υπολογίζει τις τροποποιήσεις και προσδιορίζει την ύπαρξη κλώνων RNA [9, 10].
Συγκεκριμένα, η εξαιρετικά αποτελεσματική ανίχνευση του SARS-CoV-2 βάσει οπτικού βιοαισθητήρα έχει παρουσιαστεί με συντονισμό και φθορισμό επιφανειακού πλασμονίου. Όταν ένας οπτικός βιοαισθητήρας συνδέεται με τη μέθοδο συντονισμού επιφανειακού πλασμονίου, η μέθοδος που προκύπτει είναι πολύτιμη για την ταχεία διάγνωση της μόλυνσης από SARS, περισσότερο από τις ενζυμικές ανοσοπροσροφητικές δοκιμασίες (ELISA). Ένας βιοαισθητήρας με δυνατότητα οπτικών ινών που βασίζεται σε εντοπισμένο φθορισμό που σχετίζεται με το πλασμόνιο επιφάνειας (LSPCF) μπορεί να ανιχνεύσει την ανασυνδυασμένη πρωτεΐνη Ν (SARS-CoV-N) χρησιμοποιώντας AuNPs. Επισημάνθηκε ότι ένα απόθεμα ιού τόσο μικρό όσο 106 σωματίδια/mL μπορεί να ανιχνευθεί χρησιμοποιώντας έναν βιοαισθητήρα νανο-ενεργοποιημένου βασισμένου σε οπτικές ίνες εντός 15 λεπτών. Αυτές οι έρευνες δείχνουν ότι οι ιογενείς λοιμώξεις του αναπνευστικού μπορούν να διαγνωστούν γρήγορα και έγκαιρα με τη χρήση νανοϋλικών [9].

Εικόνα 10. Μια σχηματική απεικόνιση ενός οπτικού βιοαισθητήρα

3.1.3. Βιοαισθητήρες με βάση το γραφένιο

Μια συσκευή FET (τρανζίστορ φαινομένου πεδίου) που βασίζεται σε γραφήματα χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του ιικού φορτίου SARS-CoV-2 σε ρινοφαρυγγικά επιχρίσματα ασθενών με COVID-19. Ο νανοβιοαισθητήρας FET με βάση το γραφένιο αποτελείται από ένα φύλλο γραφενίου ως περιοχή ανίχνευσης, που μετακινείται σε ένα υπόστρωμα SiO2/Si και αντίσωμα ακίδας SARS-CoV-2 ακινητοποιημένο στο φύλλο γραφενίου. Οι βιοαισθητήρες βοηθούν στην ανίχνευση αιχμής αντιγόνου SARS-CoV-2 ακόμη και σε συγκέντρωση 1 fg/mL σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών [10].

Οι βιοαισθητήρες με βάση το γραφένιο είναι πολύτιμοι για τη δοκιμή και την ανίχνευση αιχμής [9]:

• γλυκόζη αίματος
• ρυθμός αναπνοής
• θερμοκρασία σώματος σε πραγματικό χρόνο·
• πίεση αίματος
• ιός
• μικρά μόρια

Λόγω της οικονομικής απόδοσης, της υψηλής συσχέτισης και της ευκολίας κατασκευής, τα νανοϋλικά με βάση το γραφένιο είναι τα πιο ελκυστικά υλικά για βιοαισθητήρες. Για παράδειγμα, ένας βιοαισθητήρας που βασίζεται σε τρανζίστορ έχει αναπτυχθεί με επιτυχία για να ανιχνεύει SARS-CoV-2 (πρωτεΐνη ακίδας). Ο βιοαισθητήρας κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας φύλλα γραφενίου επικαλυμμένα με τρανζίστορ φαινομένου πεδίου (FET) με ένα συγκεκριμένο αντίσωμα (Εικόνα 9). Το γραφένιο και τα παράγωγά του παρουσιάζουν κατάλληλη ακεραιότητα συσκευές βιοαισθητήρα που βασίζονται σε FET για τη σύλληψη ιών, καθώς έχουν οφέλη σε σχέση με άλλες διαγνωστικές μεθόδους που είναι διαθέσιμες επί του παρόντος [9].

Οι συσκευές βιοαισθητήρα που βασίζονται σε FET μπορούν να κάνουν ευαίσθητες και στιγμιαίες μετρήσεις χρησιμοποιώντας μικρές ποσότητες αναλυτών. Επιπλέον, οι βιοαισθητήρες που βασίζονται σε FET έχουν πιθανή και χρησιμότητα στην κλινική διάγνωση, την ανίχνευση επί της όρασης και τις δοκιμές στο σημείο της φροντίδας. Μια μη ενισχυμένη και γρήγορη πλατφόρμα νανοαισθητήρα δημιουργήθηκε για την ανίχνευση του RNA του SARS-CoV-2 σε δείγματα ανθρώπινου επιχρίσματος λαιμού. Ένας αισθητήρας τρανζίστορ φαινομένου πεδίου γραφενίου (G-FET) σχεδιάστηκε για να απεικονίσει το νανοσωματίδιο χρυσού (AuNP). Στις επιφάνειες των AuNPs, ακινητοποιήθηκαν συμπληρωματικοί ανιχνευτές φωσφοροδιαμιδικής μορφολινο ολίγο (PMO). Αυτός ο αισθητήρας κατευθύνει σε χαμηλό σήμα φόντου, καθώς το PMO είναι εξαιρετικά ευαίσθητο στο SARS-CoV-2 RdRp. Όταν ένα τρανζίστορ φαινομένου γραφενίου συνδέεται με έναν βιοαισθητήρα που βασίζεται στο CRISPR-Cas9, θα είναι σε θέση να ανιχνεύει μη ενισχυμένα γονίδια-στόχους και, επομένως, θα μπορούσε να αξιολογηθεί για ιικούς στόχους, όπως τα νουκλεϊκά οξέα του SARS-CoV-2 [9]:

3.1.4. Χειρικοί Νανοβιοαισθητήρες

Οι χειραλικοί βιοαισθητήρες θα βρίσκονται σύντομα στην πρωτοπορία του τομέα της βιονανοτεχνολογίας λόγω της υπερευαισθησίας τους και του γρήγορου χρόνου απόκρισής τους. Θα συμβάλουν καθοριστικά στην πανδημία SARS-CoV-2. Η δημοτικότητα των νανο-χειροπτικών έχει εκραγεί λόγω των καινοτόμων μεθόδων για την κατασκευή μεταλλικών νανοδομών με ρυθμιζόμενη μορφολογία επιφάνειας και την ολοκλήρωση της νανοσυναρμολόγησής τους. Αυτό προσφέρει απαράμιλλη ισχύ στις ηλεκτρονικές και οπτικές ιδιότητές τους. Το πιο σημαντικό πλεονέκτημα τέτοιων νανοϋβριδικών δομών είναι ότι βελτιώνουν τη χειροπτική αντίδραση, η οποία θα μπορούσε να έχει σημαντικό ενδιαφέρον σε διάφορες εφαρμογές που συνδέονται με τη χειρόμορφη βιοαισθητήρα, ανοίγοντας νέες ερευνητικές περιοχές. Σε σύγκριση με τα φυσικά χειρόμορφα μόρια, οι χειρόμορφες πλασμονικές νανοδομές όχι μόνο οδηγούν σε σημαντικά χειροπτικά αποτελέσματα, αλλά παρουσιάζουν επίσης εντελώς μοναδικές ιδέες υπερχειρικού φωτός σε τεχνολογικές εφαρμογές [2, 5].

Εικόνα 11. Ανίχνευση του SARS-CoV-2 με χρήση FET: Το σχηματικό δείχνει μια συλλογή βιολογικών δειγμάτων από έναν ασθενή και την εφαρμογή τους στην περιοχή ανίχνευσης με βάση το γραφένιο ενός βιοαισθητήρα FET. Τα συμβάντα δέσμευσης που σχετίζονται με τον ιό SAR-CoV2 μπορούν να καταγραφούν από τον αισθητήρα σε πραγματικό χρόνο.

Ο Ahmed et al. ανέπτυξε μια αυτοσυναρμολογούμενη τεχνική για την ανάπτυξη ενός χειρόμορφου ανοσοαισθητήρα χρησιμοποιώντας νανοσωματίδια χρυσού και κβαντικές κουκκίδες. Οι κβαντικές κουκκίδες ζιρκονίου και τα μαγνητικά νανοσωματίδια συζεύχθηκαν με ειδικά αντισώματα για τον κορωνοϊό και αναμίχθηκαν. Παρουσία ενός ιικού στόχου, τόσο οι κβαντικές κουκκίδες όσο και τα νανοσωματίδια θα προσκολληθούν στον ιικό στόχο και θα αναπτύξουν μαγνητοπλασμονοφθορίζοντα νανουβρίδια, τα οποία ένας εξωτερικός μαγνήτης μπορεί να διαιρέσει. Η συγκέντρωση της αναλυόμενης ουσίας στη συνέχεια αποφασίστηκε με τον υπολογισμό της βεβαιότητας φθορισμού των αποκλίνων νανοϋβριδίων. Αυτή η διαδικασία ανίχνευσης έχει όριο ανίχνευσης 79,15 EID/50 μl [2, 5, 10].

3.1.5. Βιοαισθητήρας με βάση το απταμερές

Λόγω της ισχυρής μεθόδου διαλογής, τα απταμερή μπορούν να ανιχνεύσουν ιικά γονίδια, πρωτεΐνες ή οποιουσδήποτε άλλους δείκτες ιογενούς μόλυνσης. Προσαρμόζοντας τις ανεπτυγμένες δοκιμασίες, οι αισθητήρες που βασίζονται σε απταμερή μπορούν να διακρίνουν μεταξύ μολυσμένων και μη μολυσμένων κυττάρων ξενιστών ή ενεργών και ανενεργών ιικών μορφών. Λόγω των ιδιοτήτων τους, η ανίχνευση με βάση το απταμερές έχει σημαντικά οφέλη έναντι των αντισωμάτων, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής ανθεκτικότητας σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και καταστάσεων, της απλής σύνθεσης μέσω μιας συστηματικής εξέλιξης προσδεμάτων με μέθοδο εκθετικού εμπλουτισμού (SELEX) και του εύκολου μετασχηματισμού σύμφωνα με τις ανάγκες της ανάλυσης [4].

Εικόνα 12. Ανίχνευση SARS-CoV και SARS-CoV-2 με χρήση βιοαισθητήρων που βασίζονται σε απταμερή.

Οι βιοαισθητήρες χρησιμοποιούν μηχανισμούς ανίχνευσης που βασίζονται σε αντισώματα και απταμερή. Τα απταμερή είναι πιο ανθεκτικά, πιο οικονομικά και συντίθενται πιο γρήγορα από τα αντισώματα. Τα απταμερή, επίσης γνωστά ως «χημικά αντισώματα» ή «τεχνητά αντισώματα», συχνά αναλογίζονται με αντισώματα όσον αφορά την κρίσιμη ιδιαιτερότητά τους προς τους στόχους τους. Μερικά απταμερή έχουν απομονωθεί στον SARS-CoV-2 και έχουν ενσωματωθεί σε πλατφόρμες απτααισθητοποίησης [7].

Τα απταμερή είναι ολιγονουκλεοτιδικές αλληλουχίες που μπορούν να σχεδιαστούν για να αναγνωρίζουν και να συνδέονται με διαφορετικά βιομόρια συγκεκριμένα:

• ελαττωματικά μόρια όπως αμινοξέα, νουκλεοτίδια και αντιβιοτικά.
• 67, 68 μακρομόρια όπως νουκλεϊκά οξέα και πρωτεΐνες.
• 69 και ακόμη και επιφανειακό επίτοπο που φέρει ολόκληρα βακτήρια, ιούς70 και άλλα κύτταρα.

Τα απταμερή σχηματίζουν μοναδικές τρισδιάστατες (3D) δομές ενώ στερεώνονται ειδικά σε αναλυτές. Αυτά μπορούν να μοντελοποιηθούν γρήγορα και μπορούν να ακινητοποιηθούν σταθερά στην επιφάνεια των βιοαισθητήρων. Οι βιοαισθητήρες που βασίζονται σε απταμερή (aptasensors) μπορούν να ανιχνεύσουν ποσοτικά τους αναλυτές στόχους υπολογίζοντας το σήμα που αναπτύχθηκε από τις συζευγμένες χημικές και/ή βιοχημικές επιφανειακές αλληλεπιδράσεις. Τα απταμερή έχουν θεωρηθεί ως ένα πολλά υποσχόμενο διαγνωστικό εργαλείο για την ανίχνευση ιών [7].

Οι απτασητήρες είναι βιοαισθητήρες βασισμένοι σε απταμερή που έχουν σχεδιαστεί για να εξερευνούν και να ποσοτικοποιούν βιομόρια στοχευόμενης αναλυόμενης ουσίας μέσω διακριτών βιοχημικών αντιδράσεων που σχετίζονται με έναν ποσοτικοποιήσιμο μηχανισμό παραγωγής σήματος. Η ανταλλαγή συγκεκριμένων απταμερών με βιομόρια-στόχους αντιπροσωπεύει τη βιοαναγνώριση και σύλληψη του γεγονότος, το οποίο επιπλέον μετατρέπεται σε ένα αναλογικό σήμα. Οι απτασητήρες που αναφέρθηκαν πρόσφατα για την ανίχνευση του SARS-CoV-2 μπορούν να χωριστούν ευρέως σε δύο κατηγορίες με βάση τη φύση της μεταγωγής σήματος: οπτικούς και ηλεκτροχημικούς απτααισθητήρες [7].

3.2. Δοκιμή σημείου φροντίδας

Οι δοκιμές Point-of-Care, όπως ορίζονται από το Κέντρο Ελέγχου και Πρόληψης Νοσημάτων, είναι «διαγνωστικές εξετάσεις που εκτελούνται στον ή κοντά στο μέρος όπου συλλέγεται ένα δείγμα και παρέχουν αποτελέσματα εντός λεπτών και όχι ωρών. Αυτές μπορεί να είναι δοκιμές ενίσχυσης νουκελικού οξέος (NAAT), αντιγόνου ή αντισωμάτων.» [18].

Η αγορά μολυσματικών ασθενειών με δοκιμές σημείου φροντίδας (POCT) αντιπροσωπεύει μια ευοίωνη και ουσιαστική αύξηση στα παγκόσμια in-vitro διαγνωστικά (IVD) του κλάδου. Η αυξανόμενη εξάπλωση του ιού της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας (HIV), της φυματίωσης (ΤΒ) και της ελονοσίας στις αναπτυσσόμενες χώρες και ο κίνδυνος εμφάνισης και επανεμφάνισης μολυσματικών ασθενειών όπως το αναπνευστικό σύνδρομο της Μέσης Ανατολής (MERS), το σοβαρό οξύ αναπνευστικό σύνδρομο (SARS), Ο ΖΙΚΑ, μια ποικιλία στελεχών της γρίπης και ο ιός του Δυτικού Νείλου είναι παράγοντες που ενισχύουν την ανάγκη για POCT [6].
Οι μεταδοτικές ασθένειες αποτελούν σημαντική απειλή για την ανθρώπινη υγεία και οδηγούν σε περισσότερους από τους μισούς θανάτους παγκοσμίως. Επιπλέον, οι ευρέως διαδεδομένες μεταδοτικές ασθένειες έχουν αυξήσει συνεχώς τα ποσοστά θνησιμότητας στις αναπτυσσόμενες χώρες. Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος περιορισμού της επιδημίας είναι η έγκαιρη διάγνωση, η οποία είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθούν κοινές προσεγγίσεις λόγω του ακριβού και εκτεταμένου εξοπλισμού, των ειδικών και της αργής παραγωγής δεδομένων. Έτσι, οι γρήγορες μέθοδοι POCT είναι απαραίτητες για την υπέρβαση αυτών των επιβαρύνσεων με τη σμίκρυνση και τη μείωση του κόστους της συσκευής και την παροχή προσβάσιμων, γρήγορων, εύχρηστων διαγνωστικών εξετάσεων χωρίς εξειδικευμένη εκπαίδευση [6].

Η δοκιμή POC επιτρέπει τη διάγνωση μολυσμένων ατόμων χωρίς αποστολή δειγμάτων ασθενών σε εργαστήρια. Αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό για μέρη ή κατοίκους που δεν διαθέτουν την κατάλληλη εργαστηριακή υποδομή για τη δοκιμή δειγμάτων. Το βασικό μέρος της δοκιμής PoC είναι ο βιοαισθητήρας, ο οποίος χρησιμοποιείται για την επίτευξη βιοχημικής ανάλυσης για την ανίχνευση του παθογόνου.

Τα πλεονεκτήματα της χρήσης της δοκιμής PoC είναι [4].

1. ελάχιστη κατάσταση χώρου για δοκιμή και αποθήκευση.
2. ανάλυση ευρείας κλίμακας.

• Η δοκιμή μπορεί να πραγματοποιηθεί σε διάφορες τοποθεσίες.

1. προσαρμόσιμο στην κάλυψη διαφόρων ιατρικών αναγκών.

Εικόνα 13. Σχηματική απεικόνιση της ποσοτικής αξιολόγησης του SARS-CoV-2 με χρήση του απτααισθητήρα που βασίζεται σε SERS. (α) Αφού τα προϊόντα λύσης SARS-CoV-2 απελευθερώσουν τις πρωτεΐνες-στόχους ακίδας, αυτές αναγνωρίζονται από τα DNA απταμερών στις επιφάνειες του νανοοποκορνίου Au. Τα συνδεδεμένα με την πρωτεΐνη S απταμερή απομακρύνονται από τις επιφάνειες του νανοποκόκορν Au, οδηγώντας σε μειωμένη ένταση κορυφής Raman των ανταποκριτών Cy3. (β) Τα DNA απταμερών με επισήμανση Cy3 υβριδοποιούνται με DNA σύλληψης στο υπόστρωμα νανοποκορν Au. Τα εσωτερικά πρότυπα 4-MBA ακινητοποιούνται μαζί με DNA απταμερών στο υπόστρωμα νανοποκόκορν Au. (γ) Η αναγνώριση της πρωτεΐνης SARS-CoV-2 S προκαλεί μια διαμορφωτική αλλαγή των απταμερών DNA, επιτρέποντας στα DNA απταμερών να συνδεθούν με το RBD στην πρωτεΐνη ακίδας.

Ένα από τα πιο ελκυστικά POCT είναι αυτά που βασίζονται στους κολομετρικούς βιοαισθητήρες καθώς επιτρέπουν την ανίχνευση της αναλυόμενης ουσίας μέσω εύκολων αλλαγών χρώματος που είναι παρατηρήσιμες στο μη υποβοηθούμενο μάτι [5].

Εικόνα 14: Χρωματομετρική ανίχνευση ιού με βάση νανοσωματίδια. Αυτό το σχήμα απεικονίζει τον μηχανισμό με τον οποίο ο ιός προκαλεί συσσώρευση νανοσωματιδίων, οδηγώντας σε αλλαγή χρώματος από κόκκινο σε μοβ.

Οι Kim et al. δημιούργησε μια χρωματομετρική ανάλυση που χρησιμοποιεί νανοσωματίδια χρυσού για την ανίχνευση του ιού MERS-CoV. Πρότειναν μια χρωματομετρική ανάλυση που βασίζεται σε μια εκτεταμένη δομή δικλωνικού DNA (dsDNA) αυτοσυναρμολογούμενου θωρακισμένου χρυσού. Αυτή η ανάλυση χρησιμοποιεί δύο ανιχνευτές τροποποιημένους με θειόλη και νανοσωματίδια νανοσωματιδίων χρυσού (AuNPs) με κάλυψη με κιτρικό άλας (AuNPs) υπό θετικό ηλεκτρολύτη (π.χ. 0,1 M MgCl2) [5, 6].

Η χρωματομετρική δοκιμή με βάση νανοσωματίδια χρυσού δημιουργεί ένα διάλυμα νανοσωματιδίων χρυσού που συλλέγει τον ιό και δείχνει μια παρατηρήσιμη αλλαγή χρώματος στο υγρό. Αυτό δίνει ένα γρήγορο τεστ για τον COVID-19 γυρίζοντας το χρώμα των νανοσωματιδίων χρυσού. Αυτή η δοκιμή χαμηλού κόστους δρα πολύ καλύτερα από τις άλλες διαγνωστικές τεχνικές, παρόμοια με τις τυπικές δοκιμές PCR. Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της δοκιμής είναι ότι τα νανοσωματίδια χρυσού εμφανίζουν συγκεκριμένα χρώματα επειδή απορροφούν συγκεκριμένα μήκη κύματος. Στα νανοσωματίδια χρυσού, μετράται το δείγμα που περιέχει SARS-CoV-2, με αποτέλεσμα τη συσσώρευση του ιού και προκαλεί μετασχηματισμό στο ύψος απορρόφησης που οδηγεί σε αλλαγή του χρώματος του διαλύματος. Αυτή η αλλαγή στο χρώμα θα είναι παρατηρήσιμη με γυμνό μάτι και το μειονέκτημα είναι ότι είναι εφικτή μόνο όταν το φορτίο του ιού είναι πολύ υψηλό [12].
Οι ανιχνευτές συζευγνύονται με AuNPs μέσω σημαντικών ανταλλαγών Au-S. Ελλείψει στόχου, το σύνολο των AuNPs (σε θετικό ηλεκτρολύτη) οδηγεί σε αλλαγή χρώματος, είτε οραματιζόμενη με γυμνό μάτι είτε ανιχνεύεται με μετατόπιση εντοπισμού επιφανειακού συντονισμού πλασμονίου (LSPR). Ωστόσο, η ύπαρξη ιικού στόχου προκαλεί ολοκληρωμένη αυτοσυναρμολόγηση δίκλωνου DNA, ελέγχοντας τη συσσώρευση νανοσωματιδίων χρυσού στην ύπαρξη θετικών ηλεκτρολυτών, αποθαρρύνοντας τη μετατόπιση των οπτικών ιδιοτήτων των AuNPs [5, 6].

Το πιθανό όριο ανίχνευσης αυτής της ανάλυσης είναι 1 pmol μl−1, επιτρέποντας την ανίχνευση μικρότερων ποσοτήτων του ιικού στόχου. Επιπλέον, η χρήση τέτοιου είδους χρωματομετρικής ανάλυσης επιτρέπει τη χαμηλού κόστους και γρήγορη διάγνωση της νόσου χωρίς την απαίτηση για εξελιγμένα εργαλεία [5].

3.3. Αλληλουχία στόχων νανοπόρων (NTS)

Η μέθοδος μεταγονιδιώματος νανοπόρου (NTS) έχει αποδειχθεί ότι ανιχνεύει αναπνευστική βακτηριακή λοίμωξη και ιούς άμεσα από κλινικά δείγματα. Επιπλέον, τα παθογόνα και τα γονίδια ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά μπορούν να αναγνωριστούν σε αρκετές ώρες, πολύ πιο γρήγορα από τις συμβατικές διεργασίες καλλιέργειας ως η παραγωγή δεδομένων σε πραγματικό χρόνο των προσδιοριστών αλληλουχίας νανοπόρου. Επιπλέον, η αλληλουχία νανοπόρων χρησιμοποιήθηκε για να κατευθύνει τις αλληλουχίες στο μεταγραφικό του SARS-CoV-2. Η μέθοδος NTS ανιχνεύει ταυτόχρονα τον SARS-CoV-2 και δέκα άλλους αναπνευστικούς ιούς μέσα σε μόλις 6–10 ώρες. Ως εκ τούτου, είναι κατάλληλο για την τρέχουσα διάγνωση του COVID-19. Ωστόσο, το πλαίσιο μπορεί να επεκταθεί για τη διάγνωση άλλων ιών και παθογόνων παραγόντων. Το NTS βασίζεται στην ενίσχυση 11 σχετιζόμενων με τον SARS-CoV-2 και εξαιρετικών θραυσμάτων γονιδίου (π.χ. orf1ab) χρησιμοποιώντας ένα εσωτερικό πρωτεύον πλαίσιο που ακολουθείται από αλληλούχιση του ενισχυμένου θραύσματος σε μια πλατφόρμα νανοπόρων. Αυτή η εργασία χρησιμοποιεί μια πλατφόρμα νανοπόρου για τον προσδιορισμό της αλληλουχίας για την αλληλουχία μεγάλων θραυσμάτων νουκλεϊκού οξέος και την ταυτόχρονη ανάλυση της παραγωγής δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Αυτό επιτρέπει την επαλήθευση των λοιμώξεων SARS-CoV-2 μέσα σε λίγα λεπτά από τον προσδιορισμό της αλληλουχίας χαρτογραφώντας τις αναγνώσεις αλληλουχίας στο γονιδίωμα SARS-CoV-2 και αναλύοντας την πρωτοτυπία, την εγκυρότητα και την ακολουθία αριθμών ανάγνωσης της ακολουθίας εξόδου [16, 17].

4. Προκλήσεις και περιορισμοί της νανοτεχνολογίας στον COVID-19

Τα συστήματα που βασίζονται στη νανοτεχνολογία, παρά τα πλεονεκτήματά τους, αντιμετωπίζουν πολλαπλά εμπόδια πριν μπορέσουν να παρουσιαστούν με ασφάλεια στην αγορά. Τα πιο συνηθισμένα προβλήματα είναι:

1. Επεκτασιμότητα και κόστος παραγωγής
2. ,Πνευματικές και ρυθμιστικές ιδιότητες
3. Πιθανή τοξικότητα και περιβαλλοντικές επιπτώσεις.

Ορισμένα προβλήματα στις εφαρμογές της νανοτεχνολογίας πρέπει να αντιμετωπιστούν προτού υιοθετηθούν ευρέως στο σύστημα υγειονομικής περίθαλψης. Το πρωταρχικό καθήκον θα είναι η διασφάλιση της ασφάλειας των νανοϋλικών μέσω in vitro μελετών για τη βιοσυμβατότητά τους. Η μοίρα των νανοϋλικών μπορεί να μετατραπεί στο σώμα όταν ταξιδεύουν μέσω του αίματος λόγω του σχηματισμού της πρωτεΐνης κορώνα. Ως εκ τούτου, οι in vivo μελέτες πρέπει να εκτελεστούν προσεκτικά για να κατανοήσουμε καλύτερα την τοξικότητα των νανοσωματιδίων στο σώμα. Λόγω περιορισμών, γενικά πρωτόκολλα έχουν χρησιμοποιηθεί για κατηγοριοποίηση σε πρώιμο στάδιο έρευνας και ανάπτυξης που υπολογίζουν εσφαλμένα τις πιθανότητες αποτυχιών στην κλινική μετάφραση της θεραπείας που βασίζεται στη νανοτεχνολογία. Απαιτείται στενότερη συνεργασία μεταξύ ρυθμιστικών φορέων, ειδικών στην επιστήμη των υλικών, τη φαρμακολογία και την τοξικολογία για να ξεπεραστούν άλλοι περιορισμοί [10].

---

Τεστ LO 3.2

---

βιβλιογραφικές αναφορές

1. Abdelhamid H., and Badr G.
2. (2021). Nanobiotechnology as a platform for the diagnosis of COVID‐19: a review. Nanotechnology for Environmental Engineering 6:19 https://doi.org/10.1007/s41204-021-00109-0.
3. Ahmed SR., Nagy É., and Neethirajan S. (2017). Self-assembled star-shaped chiroplasmonic gold nanoparticles for an ultrasensitive chiro- immunosensor for viruses RSC Adv. 7 40849–57
4. Alhalaili B., Popescu I.N., Kamoun O., Alzubi F., Alawadhia S., Vidu R. (2020). Nanobiosensors for the detection of novel coronavirus 2019-nCoV and other pandemic/Epidemic Respiratory viruses: A review. Sensors, 20, 6591.
5. Gupta R., Sagar P., Priyadarshi N., Kaul S., Sandhir R., Rishi V. and Singhal N.K. (2020). Nanotechnology-Based Approaches for the Detection of SARS-CoV-2. Front. Nanotechnol. 2:589832. doi: 10.3389/fnano.2020.589832
6. Jindal S., and Gopinath P. (2020). Nano Ex. 1 022003
7. Kim H.,Park M.,Hwang J.,Kim J.H., Chung D-R., Lee Kand Kang M. (2019). Development of label-free colorimetric assay for MERS-CoV using gold nanoparticles ACS Sens.
8. Mandal M., Dutta N., and Dutta G. (2021). Aptamer-based biosensors and their implications in COVID-19 diagnosis. Anal. Methods, 2021, 13, 5400
9. Ozmen E., Kartal E., Turan M., Yazicioglu A., Hiazi J., and Qureshi A. (2021). Graphene and carbon nanotubes interfaced electrochemical nanobiosensors for the detection of SARS-CoV-2 (COVID-19) and other respiratory viral infections: A review. Materials Science & Engineering C 129 (2021) 112356
10. Pradhan A., Lahare P., Sinha P., Singh N., Gupta B., Kuca K., Ghosh K.K., Krejcar O. (2021). Biosensors as Nano-Analytical Tools for COVID-19 Detection. Sensors 2021, 21,7823. https://doi.org/10.3390/ s21237823
11. Rai M., Bonde S., Yadav A., Bhowmik A., Rathod S., Ingle P., Gade A. (2021). Nanotechnology as a Shield against COVID-19: Current Advancement and Limitations. Viruses 2021,13,1224. https:// doi.org/10.3390/v13071224
12. Satvekar R. (2021). Electrochemical nanobiosensors perspectives for COVID 19 pandemic.  J. Electrochem. Sci. Eng. 00(0) (2021) 000-000; http://dx.doi.org/10.5599/jese.1116
13. Tavakol S., Zahmatkeshan M., Mohammadinejad R., Mehrzadi S., Joghataei M., Alavijeh M., Seifalian A. (2021). The role of nanotechnology in current COVID-19 outbreak. Heliyon 7, e06841
14. Thevenot D.R., Toth K., Durst R.A., Wilson G.S., Biosens. (2001). Bioelectron. 16:121–131.
15. Torrente-Rodríguez R.M., Lukas H., Tu J., Min J., Yang Y., Xu C., Rossiter H.B., Gao W., (2020). Matter. 3: 1981–1998.
16. Varghese R., Salvi S., Sood P., Karsiya J., Kumar D. (2021). Carbon nanotubes in COVID-19: A critical review and prospects. Colloid and Interface Science Communications 46: 100544
17. Wang M., Fu A., Hu B., Tong Y., Liu R., et al. (2020). Nanopore target sequencing for accurate and comprehensive detection of SARS-CoV-2 and other respiratory viruses. medRxiv.
18. Waris A., Ali M., Khan AU., Ali A. (2020). Baset A. Role of nanotechnology in diagnosing and treating COVID-19 during the Pandemic. Int J Clin Virol. 2020; 4: 065-070.
19. https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/lab/point-of-care-testing.html