De Covid-19 pandemie heeft grote vooruitgang gebracht op het gebied van vaccins. Maar het stimuleerde ook de ontwikkeling van diagnostische instrumenten voor het opsporen en testen van besmettelijkeziekten. Denk aan antigeen en PCR testen, die symbool van COVID-19 zijn geworden. De preventieve gezondheidszorg moet nu ook van deze verwezenlijkingen kunnen profiteren. Goedkope tests kunnen zelfs een revolutie in de gezondheidszorg teweeg brengen”, aldus Dr. Georg Gramse van de Johannes Kepler Universiteit in Linz.
Hij doet onderzoek in het ATTRACT fase 2 programma van de EU met verschillende partners uit Nederland en Japan naar betere manieren om te testen op virusziekten. Veel ziekten worden overgebracht door virussen. De lijst van virale ziekten is lang. Er staan gewone aandoeningen in als verkoudheid en griep, maar ook ernstiger ziekten zoals hepatitis, meningitis, AIDS en Ebola.
Verbetering van de gezondheidszorg
Het doel van het project is om de snelheid van de antigeentest en de precisie van de PCR-test in één systeem te combineren. Bovendien moet het te ontwikkelen testsysteem meer dan één ziekteverwekker kunnen opsporen – of uitsluiten. Breedbandtests kunnen namelijk het diagnoseproces versnellen. “Als de symptomen van patiënten een onduidelijk klinisch beeld geven, hoef je niet achtereenvolgens verschillende tests te doen, maar kun je met één test op meerdere virussen tegelijk testen”, legt Gramse uit.
Dit is het doorslaggevende voordeel voor preventieve gezondheidszorg. De bedoeling is dat de test in de spreekkamer van de arts of in de kliniek kan worden uitgevoerd. Er hoeft dan geen monster meer naar het laboratorium. De uitslag is sneller binnen er zijn minder personeel, moeite en kosten mee gemoeid. het testsysteem moet worden gerealiseerd in een ‘lab-on-a-chip’, waarin alle functies van een laboratorium zijn ondergebracht op een plastic substraat dat slechts de grootte heeft van een betaalpasje.
Microgolven
Het ligt voor de hand om de al bestaande PCR-test aan te passen. “Maar aangezien de methode zelf dit niet verder kan versnellen, proberen wij de snelheid van antigeentests te combineren met een grotere gevoeligheid”, zegt Gramse. Hij en zijn collega’s hebben elektrische sensoren met een zeer hoge resolutie ontwikkeld die werken bij verschillende frequenties, tot in het microgolfbereik. Door de sensoren te combineren moet het meetresultaat uiterst nauwkeurig en betrouwbaar worden. De basisbeginselen voor de microgolfsensor zijn in 2021 reeds gepubliceerd. “We gebruiken de sensor in een elektrochemische microscoop om te onderzoeken wat er gebeurt met de ladingen op elektrode-oppervlakken van bijvoorbeeld batterijen”, aldus de onderzoeker.
Universeel principe
Het principe is universeel en kan niet alleen worden toegepast op het oppervlak van batterijen, maar ook op andere oppervlakken. Via het kernmechanisme is te meten hoe de ladingen veranderen bij hoge frequenties. Want: hoe hoger de frequentie, hoe hoger de gevoeligheid. De onderzoekers hebben dit mechanisme eerder aangetoond in elektrochemische processen. Ze zijn er ook in geslaagd verborgen atomen te identificeren in halfgeleiderstructuren, zoals gebruikt in sommige specifieke concepten van quantumcomputing. De atomen bevinden zich onder een siliciumlaag, waar ze de bouwstenen vormen van kwantumcomputers. Met deze methode kunnen zelfs een paar honderd atomen worden geïdentificeerd.
Ziekteverwekkers
In het ATTRACT fase 2-project moeten ziekteverwekkers worden opgespoord met behulp van het sensor-meetprincipe op het niveau van afzonderlijke deeltjes. Aangezien het principe zal worden geïntegreerd in een “lab-on-a-chip”, moet ook een nieuw microfluïdisch systeem worden ontwikkeld. Microfluïdica gaat over het gedrag van vloeistoffen en gassen in de kleinste ruimte. Effecten die in de klassieke vloeistofmechanica vaak worden verwaarloosd, kunnen op de kleinste schalen overheersen.
Bovendien moet een speciale selectie van biomarkers worden ontwikkeld. Aangezien door het parallelle gebruik van verschillende biomarkers verschillende virussen tegelijk kunnen worden opgespoord of uitgesloten. Monsters in de context van virale ziekten zijn meestal bloed of lichaamsvloeistoffen. Deze kunnen in oplossingen worden geanalyseerd – en virusdeeltjes hebben de eigenschap zich in oplossingen aan oppervlakken te binden.
Complex
Zelfs als er maar één virusdeeltje aanwezig is, kan dat met de hoge-resolutiesensor worden uitgelezen, zegt Gramse. Er is geen langdurig amplificatieproces nodig zoals bij de PCR-test. Technieken op basis van een polymerasekettingreactie (PCR) maken veel kopieën van het genetisch materiaal van het virus om het virus snel en correct te identificeren.
De ontwikkeling van het nieuwe testsysteem is complex en de onderzoekers staan nog helemaal aan het begin van het project, dat een relatief korte looptijd heeft van 2 ¼ jaar. “Het is opwindend en uitdagend om verschillende werelden te combineren: microfluïdica, microgolftechnologie en biochemie. De koppeling van microfluïdica en biochemie was al eerder tot stand gebracht. Nu is het alleen nog zaak de microgolftechnologie te integreren en de verschillende werelden in het nieuwe systeem op elkaar af te stemmen”, aldus Gramse.
