ニュース

Aug 21, 2023

臨床医は新型コロナウイルスを診断できるようになるかもしれない

In risposta all’infezione da nuovo coronavirus (COVID-19), il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aeronautica, rubrica speciale,

新型コロナウイルス感染症(COVID-19)において、機械航空宇宙工学科、特集、ニュース、研究、イノベーション2021年12月17日

Z. ヒュー・ファン博士、ハーバート・ヴェルトハイム工学部機械航空宇宙工学科教授

来たるインフルエンザの季節に医師や診療所を訪れた人にとって、最も悩ましいのは、自分の症状が職場に出回っている園芸品種の虫なのか、それとも潜在的な新型コロナウイルス感染症なのかということだ。 研究者たちがこのウイルス、そしてその避けられない変異体や突然変異の治療に奔走する中、最大の課題の 1 つは、病気の原因を迅速かつ正確に診断して、適切な治療プロトコルを実施し、潜在的に危険な病気が発生する可能性を時間内に減らすことです。合併症。

ハーバート・ヴェルトハイム工学部機械・航空宇宙工学科教授のZ.ヒュー・ファン博士と、公衆衛生学部環境・地球環境学部研究教授のジョン・レドニッキー博士が指導する。フロリダ大学の学際的チームであるヘルスは、迅速かつ信頼性が高く、低コストで、新型コロナウイルス感染症とインフルエンザを区別できる画期的な SARS-CoV-2 診断検査を開発しました。

(上) ボールペンに似たボールベースのバルブ機構のレンダリング。筆記中に先端の金属ボールを押すとインクが紙に塗布されます。 ボールが上部のウェルのプラグとして機能すると、バルブが閉じます。 バルブは、ユニットの下部にあるピンによって開き、スライド後にピンがボールと整列するとボールが持ち上げられ、試薬が放出されます。 (中央) サンプルを底部ウェルに導入し、底部ウェルをスライドさせて、ウイルス溶解および RNA 単離/精製用の 4 つの試薬を順番に送達します。 (下) UV 懐中電灯による比色検出と、サンプルから応答までの総時間は 50 分です。

ファン博士と彼のチームは、かさばるまたは高度な実験器具や電源を使用せず、ゴールドスタンダードのRT-PCR（逆転写ポリメラーゼ鎖）と同等の検出感度で、50分以内に2つのウイルスを検出できる能力を実証しました。これは、世界保健機関および疾病管理予防センターが推奨する検査です。 この取り組みは国立衛生研究所によって支援されています。

「患者ケアの観点から見ると、この革新的なサンプルから回答までのプラットフォームは、既存の RT-PCR 標準からいくつかのレベルで重要なアップグレードとなります」とファン博士は述べました。 「診断に関しては、オフサイトの検査ラボでは 1 ～ 2 日かかるのに対し、検査現場では 1 時間未満です。」

上部のバッファーユニット、中央の混合ユニット、下部の検出ユニットの 3 つのコンポーネントで構成されるデバイスの分解図。 バッファーユニットには、サンプル調製用の溶解バッファー、結合バッファー、および 2 つの洗浄バッファーを保管するための各側に 4 つのウェルが含まれています。 バッファユニットの各ウェルの底には、バルブとして機能するステンレス鋼のボールが 1 つずつ配置されています。 ミキシングユニットには両側に 1 つのウェルがあり、両側と中央のスライディング トラックを通ってバッファ ユニットの下にスライドします。 検出ユニットには、2 枚の熱可塑性フィルムの間に積層され、両面接着テープを使用してウェル層に取り付けられた紙パッドが含まれています。

UF で設計されたデバイスは、センサー科学に焦点を当てた米国化学会の主力雑誌である ACS Sensors で査読のために最近掲載されました。

RT-LAMP (ループ媒介等温増幅) は、ウイルス RNA 検出に使用されるアッセイです。 RT-LAMP の方法論は、自動サイクル鎖置換 DNA 合成の背後にあるメカニズムに基づいていました。 反応はポリメラーゼによって行われ、ポリメラーゼは高い鎖置換活性を有します。 また、内側プライマーと外側プライマーの 2 対のプライマーも使用されます。 これらのプライマーは、反応用に特別に設計されています。 RT-LAMP はターゲット配列により高い特異性を実現します。 他の技術とは異なり、RT-LAMP は最初に 6 つの独立した配列を使用してターゲット配列を認識するため、高い特異性が得られます。 プライマーによる標的ゲノムの認識により強力な比色反応が引き起こされ、高度に特殊な機器や高価な機器を使用せずに検出が可能になります。

「RT-LAMP テクノロジーには、標準的な RT-PCR に比べて多くの利点があります」と Lednicky 博士は述べました。 「同等の RT-PCR 反応と比較して試薬のコストが低く、結果がより迅速に得られ、RT-LAMP に必要な機器が少ないことが、資源に乏しい国のユーザーや診療所での使用にとって大きな利点となります」また、キット形式でパッケージ化された RT-LAMP 反応は保管スペースをほとんどとらず、凍結乾燥できるため、冷凍庫保管の必要性が軽減されます。」

組み立てられた装置の写真。混合ユニットが左から 2 番目のウェルまでスライドし、そこでボールを持ち上げています。 (挿入図) RNA 単離と RT-LAMP 用のウェルを示す、検出ユニットの上面図。

検体（検査に応じて綿棒、尿、唾液、血液）が採取され、決められた量が検体後処理装置の最初のチャンバーに移されます。 続いて、検体は病原体から DNA または RNA を抽出する特定の液体にさらされ、抽出された物質が精製され、取り外し可能なフィルター ユニットに収集されます。 RT-LAMP 化学物質は取り外し可能なユニットに追加され、RT-LAMP 流体が入ったチャンバーはテープで密閉され、最終ユニットは取り外して、特定の温度に予熱されたマイクロチップ制御の「コーヒーマグ」に入れられます。 。 選択したインキュベーション期間の後、視覚的に検出されるか、または蛍光レベルによって検出/測定できる色の変化によって証明される結果が決定されます。

使い捨て形式の使い捨てユニットを使用するこのデバイスは、看護師、医師などが高度なトレーニングを必要とせずに使用できます。 結果は、肯定的か否定的かにかかわらず、視覚的に、または懐中電灯などの簡単な技術を使用して判断できます。 iPhoneなどのカメラ付きモバイル端末で画像を撮影し、遠隔地に送信してデータを確認することで結果を記録できます。

「要するに、この装置は従来のRT-PCRよりも迅速な遺伝物質の分析を可能にし、SARS-CoV-2ウイルスの検出にうまく使用されています」とレドニッキー博士は述べた。 「これはシンプルで安価で、高度な技術スキルや高価な機器を必要としません。最も重要なのは、非常に感度が高く、場合によっては標準的な RT-PCR アッセイよりも 10 倍高い検出感度が得られることです。」

SARS-CoV-2 ウイルスとインフルエンザ ウイルスの両方の同時検査は、現在ポイントオブケア (POC) では利用できませんが、そのバリエーションは試験機関で利用可能であり、おそらく「CLIA 免除」デバイスとみなされるでしょう。 、これにはFDAによって承認された家庭用テストが含まれます。 「この装置は環境研究（大気、下水、その他のマトリックス中のSARS-CoV-2）にも使用でき、空気サンプラーなどの他の検出装置と貼り付けたり嵌合したりすることもできます」とファン博士は述べた。

等温増幅用の水浴として使用される市販の電池式コーヒーマグの写真。 (左) コーヒーマグが開いており、ウォーターバス内に検出ユニットが入っています。 検出ユニットの写真がマグカップの上の挿入図に示されています。 (右) 62.5℃でのRT-LAMP増幅中、コーヒーマグは閉じられています。

この LAMP ベースの装置の開発は、危険な病原体の早期検​​出と同定における UF 研究者らの進歩的な進歩に続いて行われました。 3年前、フロリダ州からの資金提供を受けて、ファン博士とレドニッキー博士は研究チームを率いて、蚊が媒介するジカウイルスを迅速かつコスト効率よく検出するための小型装置を開発した。ジカウイルスは感染しても症状を示さない。感染者の80パーセントに。 ポイントオブケア検査プラットフォームは、現場での無症状患者のスクリーニングに使用でき、誤診を軽減し、さらなる感染の防止に役立ちます。

昨年、持続可能なインフラと環境工学部（ESSIE）の環境工学科学科のエンジニアらは、Chang-Yu Wu博士率いる、空気中のウイルス（新型コロナウイルス感染症を含む）を効率的に収集する新しいウイルスエアロゾルサンプラーを開発した。この情報により、医療提供者はリスク領域を特定し、改善策を特定できます。 新しいサンプラーと RT-LAMP デバイスの統合により、試験エリアを超えて一般の公共エリア (空港、地下鉄、政府の建物、ショッピング センターなど) に到達する可能性があり、空中浮遊病原性ウイルスを早期に警告し、その蔓延を阻止するのに役立ちます。