Nanogold ตรวจจับโรคได้ภายใน 15 นาที: NasRED อ่านโมเลกุลหลายร้อยโมเลกุลในเลือดเพียงหยดเดียว

ACS Nanoได้อธิบายถึงชุดตรวจวินิจฉัยแบบพกพาที่เรียกว่า NasRED ( Nanoparticle-Supported, Rapid, Electronic Detection ) ซึ่งใช้อนุภาคนาโนทองคำและการอ่านค่าด้วยแสงไฟฟ้าเพื่อตรวจหาแอนติเจนและแอนติบอดีต่อการติดเชื้อที่ความเข้มข้นต่ำมาก — ลงไปจนถึงระดับ subfemtomolar/attomolar การตรวจหาเชื้อโควิด-19 แสดงให้เห็นการแยกแยะจากการติดเชื้ออื่นๆ ได้อย่างแม่นยำ เวลาในการตอบสนองอยู่ที่ประมาณ 15 นาที และค่าใช้จ่ายประมาณ 2 ดอลลาร์สหรัฐฯ ผู้เขียนระบุว่ามีความไวสูงกว่า ELISA ประมาณ 3,000 เท่า ใช้ตัวอย่างน้อยกว่า 16 เท่า และให้ผลเร็วกว่า 30 เท่า

พื้นหลัง

• ทำไมต้องวินิจฉัยโรคด้วย PoC อีกครั้ง และจะวัดผลความสำเร็จได้อย่างไรในทางปฏิบัติจริงจำเป็นต้องมีการทดสอบณ จุดให้บริการ (ณ สถานที่ รวดเร็ว ราคาถูก) ที่ตรงตามเกณฑ์ ASSURED/REASSURED ได้แก่ราคาไม่แพง ละเอียดอ่อน เฉพาะเจาะจง ใช้งานง่าย รวดเร็ว/ทนทาน ไม่ต้องใช้อุปกรณ์/ใช้งานง่าย จัดส่งได้จริง พร้อมการเชื่อมต่อแบบเรียลไทม์และความสะดวกในการเก็บตัวอย่าง การทดสอบ "ที่บ้าน" ส่วนใหญ่ยังไม่ครอบคลุมทุกประเด็น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง "S" ซึ่งหมายถึงความไว ดังนั้นจึงมีการแข่งขันกันเพื่อหาวิธีที่ให้ความไวในระดับห้องปฏิบัติการโดยไม่ต้องมีห้องปฏิบัติการ
• ที่ซึ่งความคลาสสิกติดอยู่
  • แถบ LAT (การทดสอบแอนติเจน) ทำได้รวดเร็วและราคาถูก แต่ความไวต่อ PCR อยู่ในระดับปานกลางและขึ้นอยู่กับปริมาณไวรัส/ระยะเวลาของการเจ็บป่วยเป็นอย่างมาก แม้แต่ชุดทดสอบที่ดีที่สุดก็มักจะไม่สามารถให้ความไว "เทียบเท่ากับในห้องปฏิบัติการ" ได้
  • ELISA มีความแม่นยำ แต่ต้องใช้รีเอเจนต์ เครื่องซักล้าง/เครื่องอ่าน และตู้บ่มเพาะ ซึ่งต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงและต้องใช้ห้องปฏิบัติการ เวอร์ชัน "ขั้นสูง" ที่มีอยู่มีเกณฑ์ที่ต่ำกว่า แต่ต้องแลกมาด้วยความซับซ้อนของโปรโตคอล สิ่งเหล่านี้ถือเป็นอุปสรรคสำหรับการคัดกรองภาคสนาม
• ทำไมต้องเป็นอนุภาคนาโนทองคำ? อนุภาคนาโนทองคำ ( AuNP) คือเครื่องมือสำคัญของไบโอเซนเซอร์ เนื่องจากมีการตอบสนองแบบพลาสมอนิกที่ชัดเจน (การเปลี่ยนแปลงการดูดซับ/การกระเจิงเมื่อรวมตัวกันหรือเมื่อสภาพแวดล้อมเปลี่ยนแปลง) มีเคมีพื้นผิวที่สะดวกสำหรับการเชื่อมต่อโปรตีน/แอปทาเมอร์ และมีเสถียรภาพที่ดี ซึ่งช่วยให้สามารถสร้างการทดสอบที่เชื่อมโยง “โมเลกุลที่วิเคราะห์ ↔ อนุภาคนาโน” ให้เป็นสัญญาณออปติคัล/อิเล็กทรอนิกส์โดยไม่ต้องใช้ออปติคัลที่ซับซ้อน
• การอ่านค่าแบบอิเล็กโทร-/ออปโต-อิเล็กทรอนิกส์เป็นก้าวสำคัญกุญแจสำคัญของ PoC คือการทำให้การตรวจจับง่ายขึ้น แทนที่จะใช้เครื่องสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ขนาดใหญ่ ให้ใช้ LED + โฟโตเซ็นเซอร์/อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบง่าย และอ่านค่าการเปลี่ยนแปลงของความโปร่งใส/การกระเจิง หรือ "การตกตะกอน" ของอนุภาคนาโนที่มีฟังก์ชันเมื่อจับกับเป้าหมาย รูปแบบดังกล่าวให้ช่วงไดนามิกที่กว้างและเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว ในขณะที่ยังคงรักษาขีดจำกัดการตรวจจับที่ต่ำไว้ นี่คือจุดที่ NasRED เข้ามามีบทบาท
• เหตุใดการมองเห็นทั้งแอนติเจนและแอนติบอดีจึงสำคัญสำหรับการติดเชื้อในระยะต่างๆ เป้าหมายบางอย่างให้ข้อมูลมากกว่าเป้าหมายอื่นๆ เช่น แอนติเจนสำหรับการติดเชื้อในระยะเริ่มต้น แอนติบอดีสำหรับการติดเชื้อในอดีต/ปัจจุบัน ร่วมกับการเปลี่ยนแปลงของซีรัม หรือการประเมินการตอบสนองทางภูมิคุ้มกัน แพลตฟอร์มที่ "ปรับคุณสมบัติ" ใหม่จากแอนติเจนเป็นแอนติบอดี (และย้อนกลับ) แบบแยกส่วนจะขยายขนาดได้เร็วขึ้นสำหรับเชื้อก่อโรค/งานใหม่ๆ
• บริบทของบทความนี้ในการสาธิต SARS-CoV-2 NasRED ได้แสดงให้เห็นถึงการตรวจหาแอนติเจน/แอนติบอดีในระดับ subfemtomolar ในเวลาประมาณ 15 นาทีจากไมโครโวลูม (ประมาณ 6 ไมโครลิตร) และการแยก COVID-19 จากการติดเชื้ออื่นๆ ได้อย่างแม่นยำ แพลตฟอร์มนี้อ้างว่าสามารถปรับใช้กับสารพิษ เครื่องหมายเนื้องอก และอื่นๆ ได้ ช่วยลดช่องว่างระหว่าง "แถบตรวจ" และห้องปฏิบัติการในด้านความไวและความเร็ว ผลที่ตามมาคือศักยภาพในการตรวจพบได้ตั้งแต่เนิ่นๆ แม้จะมีความชุกต่ำและในสภาพแวดล้อมที่มีทรัพยากรน้อย
• แต่ภาวะภูมิไวเกินก็มีความเสี่ยงเช่นกัน ยิ่งเกณฑ์ต่ำเท่าไหร่ ข้อกำหนดด้านความบริสุทธิ์ การควบคุมปฏิกิริยาข้าม และการจัดการผลบวกลวงก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ดังนั้น “เป้าหมาย” ใหม่แต่ละรายการบนแพลตฟอร์มจึงจำเป็นต้องมีการตรวจสอบทางคลินิกและการทดสอบความเครียดแยกต่างหากสำหรับผลกระทบของเมทริกซ์ (เลือด น้ำลาย โพรงหลังจมูก) และความเสถียรของวัสดุสิ้นเปลืองในห่วงโซ่อุปทานจริง
• เหตุใดนี่จึงเป็นทิศทางที่สมเหตุสมผลสำหรับวิวัฒนาการของการทดสอบสาขานี้ได้เรียนรู้ที่จะ "ทำลาย" อุปสรรคของพิโคโมลาร์ (ELISA แบบดิจิทัล, รูปแบบ LF ที่ได้รับการปรับปรุง) อยู่แล้ว แต่บ่อยครั้งที่ต้องแลกมาด้วยอุปกรณ์ราคาแพง/โปรโตคอลที่ซับซ้อน แพลตฟอร์ม AuNP ที่มีการอ่านค่าแบบอิเล็กทรอนิกส์อย่างง่าย พยายามที่จะผสานความไวแสงสูงเข้ากับฮาร์ดแวร์ราคาถูก ซึ่งเป็นสิ่งที่เกณฑ์ ASSURED/REASSURED กำหนดไว้

มันทำงานอย่างไร

• อนุภาคนาโนทองคำถูกเคลือบด้วยโมเลกุลตรวจจับ แอนติบอดีถูกนำมาใช้เพื่อค้นหาโปรตีนของไวรัส และแอนติเจนของไวรัสถูกนำมาใช้เพื่อตรวจจับแอนติบอดีของผู้ป่วย
• อนุภาคเหล่านี้จะถูกเติมลงในตัวอย่างขนาดเล็ก (หยดเลือด/น้ำลาย/น้ำมูก) หากตัวอย่างมีเป้าหมาย อนุภาคนาโนส่วนใหญ่จะเกาะติดกันและตกตะกอนที่ก้นหลอด หากไม่มีเป้าหมาย สารแขวนลอยจะยังคงขุ่นอยู่
• อุปกรณ์จะฉายลำแสง LED ผ่านด้านบนของของเหลว และเซ็นเซอร์อิเล็กทรอนิกส์จะวัดปริมาณแสงที่ส่องผ่าน: ยิ่งแสงมาก = อนุภาค “ตกลง” หมายความว่ามีวัตถุตก ทั้งหมดนี้ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ออปติกขนาดใหญ่และการเตรียมตัวอย่างที่ซับซ้อน

ผลงานใหม่นี้แสดงให้เห็นอะไรบ้าง

• COVID-19: NasRED ตรวจพบแอนติเจนและแอนติบอดีของ SARS-CoV-2 ได้อย่างน่าเชื่อถือในระดับที่วิธีการมาตรฐานใช้ไม่ได้ผล และแยก COVID-19 ออกจากการติดเชื้ออื่นๆ ได้ ในการทดสอบแบบเปียกด้วยอนุภาคไวรัสโคโรนาทั้งตัว ความไวของการทดสอบเทียบได้กับ Abbott ID NOW (การทดสอบทางโมเลกุลยอดนิยม) แต่มีข้อได้เปรียบในด้านความเร็ว/ความง่ายในการใช้งาน
• เกณฑ์การตรวจจับ: ทีมวิจัยได้เพิ่มความไวให้อยู่ในระดับ attomolar (ตัวอย่างจากข่าวประชาสัมพันธ์: "หมึกหนึ่งหยดในสระว่ายน้ำโอลิมปิก 20 สระ") หัวข้อบทความเน้นย้ำถึงระดับ subfemtomolar
• ความเป็นโมดูลาร์: นาโนแพลตฟอร์ม "ว่างเปล่า" ตัวเดียวกันนี้สามารถถูกตั้งโปรแกรมใหม่ได้อย่างรวดเร็วสำหรับเป้าหมายอื่นๆ ตั้งแต่อีโคไล (ชิกาท็อกซิน) ไปจนถึงเครื่องหมายเนื้องอกและโปรตีนของอัลไซเมอร์ โดยต้นแบบของเทคโนโลยีนี้เคยตรวจพบเชื้ออีโบลาจากเลือดปริมาณเล็กน้อยมาก่อน

เหตุใดสิ่งนี้จึงสำคัญ?

• การทดสอบระดับห้องปฏิบัติการ — โดยไม่ต้องผ่านห้องปฏิบัติการ ความต้องการเร่งด่วนด้านการดูแลสุขภาพคือการทดสอบ ณ จุดบริการ (PoC) ที่รวดเร็ว แม่นยำ และต้นทุนต่ำ NasRED ช่วยเติมเต็มช่องว่างระหว่างแถบทดสอบแบบรวดเร็วและห้องปฏิบัติการแบบ “หนัก”: ประมาณ 2 ดอลลาร์ต่อการทดสอบ ประมาณ 15 นาที อุปกรณ์และการฝึกอบรมน้อยนิด ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับสภาพการทำงานภาคสนามและภูมิภาคที่มีทรัพยากรจำกัด
• ตรวจพบได้ตั้งแต่เนิ่นๆ เมื่อมีอัตราการระบาดต่ำ เมื่อมีผู้ติดเชื้อน้อย (เช่น การระบาดในระยะเริ่มแรก กลุ่มเสี่ยง HIV/HCV และโรคบอร์เรลิโอซิส) การเปิดเครือข่ายห้องปฏิบัติการจะไม่เกิดประโยชน์ และผู้ป่วยก็ไม่ได้รับการตรวจ การทดสอบ PoC ที่มีความไวสูงช่วยให้คุณค้นหาเข็มในมหาสมุทร และทำได้ทันที

นี่มัน "ดีกว่ามาตรฐาน" มากแค่ไหน?

ผู้เขียนได้ให้การเปรียบเทียบดังนี้: มีความไวมากกว่า ELISA ประมาณ 3,000 เท่า, ปริมาตรตัวอย่างเล็กกว่า 16 เท่า, เวลาตอบสนองเร็วกว่า 30 เท่า; ในความเข้มข้นสัมบูรณ์ พบโมเลกุลหลายร้อยโมเลกุลในระดับย่อยไมโครลิตร “มีความไวมากกว่าการทดสอบในห้องปฏิบัติการมาตรฐานเกือบ 100,000 เท่า” (ประมาณการจากการเผยแพร่ของสถาบัน) ตัวเลขเหล่านี้อ้างอิงเกณฑ์มาตรฐานภายใต้เงื่อนไขการศึกษาและจำเป็นต้องได้รับการรับรองจากภายนอก

สิ่งที่ชัดเจนอยู่แล้วเกี่ยวกับ “จุดเจ็บปวด”

• ในตอนนี้ การเตรียมตัวอย่างต้องใช้เครื่องเหวี่ยง/เครื่องผสมขนาดเล็กแบบตั้งโต๊ะ ทีมงานกำลังดำเนินการทำให้มีขนาดเล็กลงและมีระบบอัตโนมัติ โดยมีเป้าหมายเพื่อให้เป็นรูปแบบขนาดพกพาได้ และอาจจะสามารถทดสอบที่บ้านได้
• ความเป็นสากลที่ระบุไว้ (โมดูลสำหรับโรคต่างๆ) ถือว่าดีเยี่ยมบนกระดาษ แต่สำหรับคลินิก จำเป็นต้องมีการทดลองทางคลินิกแยกกันสำหรับเป้าหมายการวิเคราะห์แต่ละรายการ (HIV, HCV, โรคบอร์เรลิโอซิส ฯลฯ) โดยมีการทดสอบปฏิกิริยาร่วม ความเสถียรของรีเอเจนต์ และคุณภาพของห่วงโซ่อุปทาน

นี้จะไปได้ไกลแค่ไหน?

ในอนาคตอันใกล้ NasRED ดูเหมือนจะเป็นแพลตฟอร์ม: อุปกรณ์หนึ่งชิ้น + “อุปกรณ์เสริม” เซ็นเซอร์ที่เปลี่ยนได้สำหรับเครื่องหมายที่ต้องการ หากยืนยันเรื่องโมดูลาร์ได้ แนวทางนี้อาจช่วยเร่งการใช้งานชุดตรวจสำหรับการระบาดครั้งใหม่ และขยายการวินิจฉัยแบบ PoC ในคลินิก แผนกฉุกเฉิน จุดตรวจเคลื่อนที่ และแม้แต่ในทีมเคลื่อนที่สำหรับกลุ่มที่เข้าถึงยาก

ที่มา: Choi Y. และคณะการตรวจจับแอนติบอดีและแอนติเจน SARS-CoV-2 ด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่สนับสนุนด้วยอนุภาคนาโนอย่างรวดเร็วในระดับซับเฟมโตโมลาร์ ACS Nano เผยแพร่เมื่อวันที่ 11 สิงหาคม 2568 https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12083