Alors que le déploiement national du vaccin COVID-19 en Australie se poursuit et que la menace de variantes mondiales nouvelles et existantes se profile, les tests rapides restent indispensables pour l'identification, recherche des contacts et confinement de l'infection.

Notre équipe de recherche, avec le soutien de nos collaborateurs australiens, sont sur le point de terminer une quête d'un an pour développer des quantités commerciales de nanoparticules magnétiques d'origine locale, un ingrédient manquant clé dans un kit de test COVID-19 entièrement fabriqué en Australie.

Alors que les tests d'anticorps (utilisés dans la plupart des centres de test australiens) peuvent montrer quelles personnes ont déjà été exposées et ont développé une réponse immunitaire, Les tests de réaction en chaîne par polymérase (PCR) sont l'étalon-or pour déterminer si une personne est actuellement infectée.

De nombreux Australiens, et en effet de nombreuses personnes dans le monde, sera familier avec le test d'écouvillonnage COVID-19. » Une pointe de coton est d'abord essuyée autour du fond de votre gorge, puis insérée profondément dans les deux narines – une sensation étrange et désagréable.

Tests COVID :dans les coulisses

La partie que vous ne voyez pas se passe alors dans le laboratoire, où les techniciens analysent l'échantillon pour l'ARN - le matériel génétique du SRAS-CoV-2 - le virus causant le COVID-19.

Une partie essentielle de ce processus de laboratoire consiste à séparer le matériel génétique (appelé acide nucléique) des autres matériels biologiques collectés sur l'écouvillon. Ceci est réalisé en utilisant des nanoparticules de silice magnétique.

Ces nanoparticules ne mesurent généralement que quelques centaines de nanomètres (un millionième de millimètre) et sont constituées d'un noyau de matériau magnétique enrobé d'une fine couche de silice (verre), qui sont ajoutés à un flacon contenant la solution d'écouvillonnage.

Un sel spécial est ajouté qui fait que tous les acides nucléiques de l'écouvillon adhèrent de manière réversible à l'enveloppe de silice.

Parce que les nanoparticules sont magnétiques, les acides nucléiques peuvent maintenant être collectés et séparés de tous les autres biomatériaux indésirables dans l'écouvillon à l'aide d'un simple aimant.

Les acides nucléiques purifiés sont ensuite déliés des nanoparticules de silice magnétique, et un test PCR est effectué pour vérifier si un ARN du virus SARS-CoV-2 est présent.

L'ingrédient manquant

Lorsque la pandémie a frappé, cependant, les nanoparticules de silice magnétique n'étaient pas produites en Australie, et comme il n'y a toujours pas de producteurs locaux, Les fabricants australiens de kits de test sont tenus de se les procurer à l'étranger.

La demande mondiale considérablement accrue pour ces particules a fait grimper les coûts, perturber les chaînes d'approvisionnement, et limiter la disponibilité des billes magnétiques aux fabricants australiens de kits de test sur écouvillon.

Le gouvernement australien a créé un groupe de travail sur les kits de test COVID, qui en mars 2020, demandé l'aide de notre laboratoire de nanosciences pour aider à produire des particules de silice magnétique localement, construire un approvisionnement garanti pour au moins 100, 000 tests COVID par semaine.

Mais il y avait quelques problèmes.

Premièrement, les particules commerciales sont produites à l'étranger via des méthodes exclusives qui ne sont pas accessibles au public, donc avant de pouvoir créer une offre australienne, nous aurions besoin de trouver notre propre méthode pour produire des nanoparticules de silice magnétiques fonctionnelles.

Heureusement, au Centre d'excellence de l'ARC en science de l'exciton, nous avons travaillé sur la fabrication de nanoparticules magnétiques pour d'autres applications, notamment la synthèse de points quantiques, nous avons donc pu concevoir et tester rapidement des méthodes pour fabriquer un produit approprié.

Production locale en temps de pandémie

Le deuxième problème était qu'on était en 2020, et nous étions à Melbourne. Avec les restrictions sévères à la circulation en place pendant la majeure partie de l'année, presque tout le personnel et les étudiants n'ont pas pu fréquenter le campus de Parkville de l'Université.

Cependant, notre petite équipe de chercheurs a été autorisée à occuper un espace dans l'école de chimie en grande partie déserte pour relever ce défi important.

Le dernier problème était un problème d'échelle.

Chaque kit de test nécessite environ cinq microgrammes de particules de silice, et ainsi d'en rencontrer 100, 000 tests par semaine, notre objectif initial était de fabriquer 500 grammes de nanoparticules magnétiques par semaine.

Nous avions le savoir-faire chimique, mais pour un laboratoire de recherche habitué à faire de petites réactions et à produire moins d'un gramme de produit, nous n'avions pas accès à tout l'équipement nécessaire.

Pour avoir une idée de l'ampleur de ce problème, imaginez qu'on vous dise de préparer suffisamment de sauce pour pâtes pour un millier de personnes, dans votre cuisine à la maison.

Pour réaliser cette augmentation massive d'échelle, nous avons mis en place des collaborations avec plusieurs sociétés australiennes dont Scaled Organics à Melbourne, qui ont mis à disposition leurs réacteurs pilotes pour produire les quantités de matière dont nous avions besoin.

Le fabricant de kits de test COVID basé à Sydney, Genetic Signatures, a ensuite été en mesure de vérifier si chaque lot de nanoparticules était adapté à l'usage prévu dans une situation de test COVID réelle.

Nous avons également eu le soutien du Monash Center for Electron Microscopy et de l'Australian Synchrotron pour des travaux visant à imager des échantillons commerciaux de nanoparticules et à les comparer à nos lots d'essai.

Une recette simple

La réaction devait être simple et comportant relativement peu d'étapes, afin de minimiser les coûts et autres obstacles à l'évolutivité.

Au fil des mois de longues heures et de travail 24 heures sur 24, nous avons identifié, optimisé, vérifié et augmenté une synthèse de nanoparticules magnétiques recouvertes de silice.

Mais il y a eu un hic.

Nous avons remarqué un changement de couleur des échantillons de nanoparticules peu de temps après la synthèse, ce qui incite à penser que la structure cristalline des nanoparticules passe de la magnétite (Fe₃O₄) à la maghémite (Fe₂O₃) au fil du temps.

Reconnaissant l'importance du projet, l'Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO) nous a donné un accès prioritaire à leurs équipements en demande, une ligne de faisceaux de spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) au synchrotron australien, pour résoudre cette question.

Il n'est pas facile de distinguer les deux structures cristallines car elles sont très similaires, mais la spectroscopie d'absorption des rayons X peut facilement les distinguer. D'après les résultats, nous avons déterminé que l'un des sels que nous ajoutions au mélange réactionnel conduisait à la formation d'une structure cristalline et non de l'autre (ces résultats seront publiés à une date ultérieure).

Nous avons alors pu trouver la concentration optimale en sel pour produire de la magnétite, ce qui est préférable car plus magnétique que la maghémite, et fonctionne mieux dans les nanoparticules finies.

Vers un test fabriqué en Australie

Développer un produit capable d'égaler les offres commerciales étrangères équivalentes, nous avons mené plus de 500 expériences avec de petits lots pour optimiser chaque élément de la production, y compris l'épaisseur du revêtement de silice, les ratios et concentrations des réactifs, et même différentes méthodes de purification.

Sous réserve de vérification lors d'essais cliniques, nos nanoparticules pourraient bientôt être utilisées pour fournir des nanoparticules de silice magnétique pour un kit de test COVID-19 fabriqué en Australie, alors que nous continuons à relever les défis de cette urgence sanitaire mondiale sans précédent.