[논문 리뷰] Fast Accurate Point of Care COVID-19 Pandemic Diagnosis Enabled Through Advanced Lab-on-a-Chip Optical Biosensors: Opportunities and Challenges

Aref Asghari, Chao Wang외 3명|Figshare|2020. 08. 01.

Biosensors and Analytical Detection참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 레이블 프리, 플라스모닉, 나노재료 기반 센싱을 활용하여 SARS-CoV-2의 빠르고 정확한 현장 진단을 위한 고도화된 랩온어치 광학 생체센서를 제안한다. 이 기술은 피코몰러 이하의 감도와 분당 이내의 반응 시간을 제공하며, 코, 타액 또는 혈액 샘플을 이용해 무증상 자가 감염자에 대한 대량 생산이 가능한 저비용 진단을 가능하게 한다. 이 플랫폼은 인플루엔자 및 MERS와 같은 다른 호흡기 바이러스에도 적용 가능하다.

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).

연구 동기 및 목표

• SARS-CoV-2 팬데믹 기간 동안 빠르고 확장 가능하며 정확한 현장 진단에 대한 긴급한 글로벌 수요를 해결한다.
• 느리고 비용이 많이 들거나 확장성이 떨어지는 전통적 검사 방법의 한계를 극복한다.
• 다양한 생물학적 샘플에서 낮은 바이러스 농도를 감지할 수 있는 민감하고 레이블 프리, 대량 생산 가능한 생체센서를 개발한다.
• 무증상 환자에서의 조기 감지를 가능하게 하여 전파를 억제하고 팬데믹 통제를 지원한다.
• SARS-CoV-2를 초월해 인플루엔자 및 MERS와 같은 다른 신종 바이러스 병원체에도 플랫폼의 유용성을 확장한다.

제안 방법

• 바이러스 항원 결합 시 발생하는 굴절률의 미세한 변화를 탐지하기 위해 통합 광학 장치와 플라스모닉 공 resonance를 활용한다.
• 감도 향상과 검출 한계 향상을 위해 그래핀 및 금 나노구조와 같은 고급 나노재료를 적용한다.
• 임상 샘플(예: 타액 및 코 스웨이브)에서 SARS-CoV-2 스푸이크 단백질을 직접 레이블 프리로 감지할 수 있도록 랩온어치 플랫폼을 설계한다.
• 대량 생산을 가능하게 하기 위해 고성능 제조 기술을 통합한다.
• 반응 시간이 몇 분 이내인 피코몰러 이하(fM)의 검출 한계를 달성하기 위해 센서 기하학 및 재료를 최적화한다.
• 혈액 수액, 소변 및 호흡기 생체 시료를 포함한 다양한 샘플 유형에서 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 랩온어치 광학 생체센서는 실제 임상 샘플에서 SARS-CoV-2 스푸이크 단백질 감지에 대해 피코몰러 이하의 감도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 플라스모닉 및 나노재료 강화 광학 센서는 분당 이내로 빠르고 레이블 프리 감지를 가능하게 하는가?
• RQ3 이 생체센서는 높은 정확성과 신뢰성을 유지하면서 대량 생산이 가능한 저비용으로 제조될 수 있는가?
• RQ4 동일한 플랫폼이 MERS 및 인플루엔자와 같은 다른 병원성 코로나바이러스를 동일한 감도로 감지할 수 있는가?
• RQ5 타액 또는 코 스웨이브를 통해 이 센서는 무증상 자가 감염자를 얼마나 효과적으로 식별할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 광학 생체센서는 SARS-CoV-2 스푸이크 단백질 감지에 대해 약 1 fM까지 감도를 확보하여 낮은 바이러스 농도의 경우에도 조기 감지를 가능하게 한다.
• 반응 시간은 몇 분 이내로 유지되어 임상 및 지역사회 환경에서의 신속한 현장 진단을 지원한다.
• 이 플랫폼은 타액, 코 스웨이브, 소변 및 혈액 혈청을 포함한 다양한 샘플 유형과 호환되어 다용도성을 향상시킨다.
• 플라스모닉 및 나노재료 구성 요소의 통합은 감도와 신호 대 잡음 비율을 크게 향상시킨다.
• 랩온어치 설계는 대규모 저비용 제조에 적합하여 글로벌 배포를 지원한다.
• 공통된 감지 원리 덕분에 이 기술은 인플루엔자 및 MERS-CoV와 같은 다른 호흡기 병원체로도 확장 가능하다.