Alors que la pandémie de COVID-19 continue de se propager à travers le monde, les tests restent une stratégie clé pour suivre et contenir le virus. Étudiant diplômé en bio-ingénierie, Maha Alafef, a co-développé un rapide, test ultrasensible utilisant un capteur électrochimique sur papier capable de détecter la présence du virus en moins de cinq minutes. L'équipe dirigée par le professeur Dipanjan Pan a fait part de ses découvertes dans ACS Nano .

"Actuellement, nous vivons un événement qui change la vie une fois par siècle, ", a déclaré Alafeef. "Nous répondons à ce besoin mondial à partir d'une approche holistique en développant des outils multidisciplinaires pour la détection précoce, le diagnostic et le traitement du SRAS-CoV-2."

Il existe deux grandes catégories de tests COVID-19 sur le marché. La première catégorie utilise des stratégies d'amplification en chaîne par polymérase en temps réel (RT-PCR) et d'hybridation d'acides nucléiques par transcriptase inverse pour identifier l'ARN viral. Les tests de diagnostic actuels approuvés par la FDA utilisent cette technique. Certains inconvénients incluent le temps qu'il faut pour terminer le test, le besoin de personnel spécialisé et la disponibilité d'équipements et de réactifs.

La deuxième catégorie de tests se concentre sur la détection des anticorps. Cependant, il pourrait y avoir un délai de quelques jours à quelques semaines après qu'une personne a été exposée au virus pour qu'elle produise des anticorps détectables.

Dans les années récentes, les chercheurs ont réussi à créer des biocapteurs au point de service utilisant des nanomatériaux 2D tels que le graphène pour détecter des maladies. Les principaux avantages des biocapteurs à base de graphène sont leur sensibilité, faible coût de production et délai de détection rapide. "La découverte du graphène a ouvert une nouvelle ère de développement de capteurs en raison de ses propriétés. Le graphène présente des propriétés mécaniques et électrochimiques uniques qui le rendent idéal pour le développement de capteurs électrochimiques sensibles, ", a déclaré Alafeef. L'équipe a créé un biocapteur électrochimique à base de graphène avec une configuration de lecture électrique pour détecter sélectivement la présence de matériel génétique SARS-CoV-2.

Il y a deux composants à ce biocapteur :Une plate-forme pour mesurer une lecture électrique et des sondes pour détecter la présence d'ARN viral. Pour créer la plateforme, les chercheurs ont d'abord recouvert du papier filtre d'une couche de nanoplaquettes de graphène pour créer un film conducteur. Puis, ils ont placé une électrode en or avec une conception prédéfinie au-dessus du graphène comme une plage de contact pour la lecture électrique. L'or et le graphène ont tous deux une sensibilité et une conductivité élevées, ce qui rend cette plate-forme ultrasensible pour détecter les changements dans les signaux électriques.

Les tests COVID-19 actuels basés sur l'ARN recherchent la présence du gène N (phosphoprotéine de la nucléocapside) sur le virus SARS-CoV-2. Dans cette recherche, l'équipe a conçu des sondes oligonucléotidiques antisens (ASO) pour cibler deux régions du gène N. Le ciblage de deux régions garantit la fiabilité du capteur au cas où une région subirait une mutation génique. Par ailleurs, les nanoparticules d'or (AuNP) sont coiffées de ces acides nucléiques simple brin (ssDNA), qui représente une sonde de détection ultra-sensible pour l'ARN du SARS-CoV-2.

Les chercheurs ont précédemment montré la sensibilité des sondes de détection développées dans leurs travaux antérieurs publiés dans ACS Nano . L'hybridation de l'ARN viral avec ces sondes provoque une modification de la réponse électrique du capteur. Les capuchons AuNP accélèrent le transfert d'électrons et lorsqu'ils sont diffusés sur la plate-forme de détection, entraîne une augmentation du signal de sortie et indique la présence du virus.

L'équipe a testé les performances de ce capteur en utilisant des échantillons positifs et négatifs COVID-19. Le capteur a montré une augmentation significative de la tension des échantillons positifs par rapport aux échantillons négatifs et a confirmé la présence de matériel génétique viral en moins de cinq minutes. Par ailleurs, le capteur a pu différencier les charges d'ARN viral dans ces échantillons. La charge virale est un indicateur quantitatif important de la progression de l'infection et un défi à mesurer à l'aide des méthodes de diagnostic existantes.

Cette plate-forme a des applications de grande envergure en raison de sa portabilité et de son faible coût. Le capteur, lorsqu'il est intégré à des microcontrôleurs et des écrans LED ou à un smartphone via Bluetooth ou wifi, pourrait être utilisé au point de service dans le cabinet d'un médecin ou même à la maison. Au-delà du COVID-19, l'équipe de recherche prévoit également que le système sera adaptable pour la détection de nombreuses maladies différentes.

"Le potentiel illimité de la bio-ingénierie a toujours suscité mon plus grand intérêt avec ses applications translationnelles innovantes, " Alafeef a déclaré. "Je suis heureux de voir que mon projet de recherche a un impact sur la résolution d'un problème du monde réel. Finalement, Je tiens à remercier mon doctorat. conseiller le professeur Dipanjan Pan pour son soutien indéfectible, chercheur scientifique Dr Parikshit Moitra, et l'assistant de recherche Ketan Dighe pour leur aide et leur contribution au succès de cette étude."