[論文レビュー] Fast Accurate Point of Care COVID-19 Pandemic Diagnosis Enabled Through Advanced Lab-on-a-Chip Optical Biosensors: Opportunities and Challenges

Aref Asghari, Chao Wang+3 more|Figshare|Aug 1, 2020

Biosensors and Analytical Detection参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ラベルフリー、プラズモニック、ナノ材料ベースのセンシングを活用し、フェムトモラー未塔の感度と数分未塔の反応時間を備えた、SARS-CoV-2の迅速かつ正確なポイント・オブ・ケア検出を実現する高度なラボ・オン・ア・チップ光学バイオセンサを提案する。この技術は、鼻汁、唾液、血液検体からの検体を用いて、無症候性キャリアのための大量生産可能で低コストの診断を可能にし、インフルエンザやMERSを含む他の呼吸器ウイルスに対しても応用可能である。

ABSTRACT

The sudden rise of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) pandemic early 2020 throughout the world has called into drastic action measures to do instant detection and reduce the spread rate. The common diagnostics testing methods has been only partially effective in satisfying the booming demand for fast detection methods to contain the further spread. However, the point-of-risk accurate diagnosis of this new emerging viral infection is paramount as simultaneous normal working operation and dealing with symptoms of SARS-CoV-2 can become the norm for years to come. Sensitive cost-effective biosensor with mass production capability is crucial throughout the world until a universal vaccination become available. Optical label-free biosensors can provide a non-invasive, extremely sensitive rapid detection technique up to ~1 fM concentration along with few minutes sensing. These biosensors can be manufactured on a mass-scale (billions) to detect the COVID-19 viral load in nasal, saliva, urinal, and serological samples even if the infected person is asymptotic. Methods investigated here are the most advanced available platforms for biosensing optical devices resulted from the integration of state-of-the-art designs and materials. These approaches are including but not limited to integrated optical devices, plasmonic resonance and also emerging nanomaterial biosensors. The lab-on-a-chip platforms examined here are suitable not only for SARS-CoV-2 spike protein detection but also other contagious virions such as influenza, and middle east respiratory syndrome (MERS).

研究の動機と目的

• SARS-CoV-2パンデミック期における、迅速かつスケーラブルで正確なポイント・オブ・ケア診断の緊急なグローバルニーズに対応する。
• 遅延、高コスト、スケーラビリティの欠如といった、従来の検査手法の限界を克服する。
• 多様な生物学的検体における低ウイルス量を検出可能な、感受性が高く、ラベルフリーで大量生産可能なバイオセンサを開発する。
• 無症候性者における早期検出を可能にし、感染拡大を抑制し、パンデミック対策を支援する。
• SARS-CoV-2を超えて、インフルエンザやMERSなどの他の新興ウイルス病原体に対しても同様のプラットフォームを応用可能にする。

提案手法

• ウイルス抗原の結合に伴う屈折率の微小変化を、統合型光学デバイスとプラズモニック共鳴を用いて検出する。
• グラフェンや金ナノ構造体などの高度なナノ材料を用いて感度および検出限界を向上させる。
• 臨床検体（唾液、鼻ぬぐいなど）に含まれるSARS-CoV-2スパイクたんぱく質を直接、ラベルフリーで検出可能なラボ・オン・ア・チッププラットフォームを設計する。
• 大量生産を可能にする高スループットな製造技術を統合する。
• センサーゲオメトリと材料を最適化し、フェムトモラー未塔（fM）の検出限界と数分未塔の反応時間を達成する。
• 血液検体、尿、呼吸器由来の標本を含む、複数の検体タイプで性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラボ・オン・ア・チップ光学バイオセンサは、現実の臨床検体におけるSARS-CoV-2スパイクタンパク質検出において、フェムトモラー未塔の感度を達成できるか？
• RQ2 プラズモニックおよびナノ材料強化光学センサは、数分以内に迅速かつラベルフリーで検出を可能にするか？
• RQ3 これらのバイオセンサは、高い正確性と信頼性を維持したまま、低コストで大量生産可能か？
• RQ4 同じプラットフォームは、MERSやインフルエンザなどの他の病原性コロナウイルスに対しても、同等の感度で検出可能か？
• RQ5 唾液または鼻ぬぐい検体を用いた場合、これらのセンサは無症候性キャリアの同定にどの程度効果的か？

主な発見

• 提案された光学バイオセンサは、SARS-CoV-2スパイクタンパク質の検出感度が約1 fMまで達し、低ウイルス量例でも早期検出が可能である。
• 反応時間は数分未塔であり、臨床およびコミュニティ環境における迅速なポイント・オブ・ケア診断を支援する。
• 本プラットフォームは、唾液、鼻ぬぐい、尿、血液血清など多様な検体タイプと互換性があり、多様性が向上する。
• プラズモニックおよびナノ材料部品の統合により、感度および信号対雑音比が顕著に向上した。
• ラボ・オン・ア・チップ設計は、大規模かつ低コストな製造に適しており、世界的な展開を支援する。
• 共通の検出原理のため、インフルエンザやMERS-CoVなどの他の呼吸器病原体に対しても、同様に応用可能である。