Ученые из Нидерландов сконструировали из кофейной капсулы Nespresso систему для определения РНК коронавируса в пробе: для того, чтобы провести тест, от пользователя потребуется только кастрюля с водой. Свое устройство исследователи назвали «КороНаспрессо» — они считают, что охват тестированием на ковид был бы куда выше, если люди сами могли бы проводить диагностику в домашних условиях. Препринт доступен на портале ChemRxiv.
Считается, что если охватить тестированием на ковид десять процентов населения, можно будет эффективно контролировать распространение вируса в популяции. По всему миру открылись центры тестирования и стало понятно, что проблемы с логистикой встают на пути у быстрой и доступной диагностики. Образцы необходимо быстро собирать, их надо правильно хранить и отправлять к местам тестирования. Зачастую не хватает персонала, расходников и инструментов. Если бы у людей была возможность проводить тесты самостоятельно в домашних условиях, достигнуть заветную отметку было намного легче.
Однако простые тесты на антитела, доступные в аптеках, не подходят для диагностики заболевания на ранних этапах и недостаточно точны. Стандартный тест на ковид – полимеразную цепную реакцию (ПЦР) – нельзя передать неквалифицированному персоналу, потому что проведение ПЦР требует наличие определенных навыков у персонала и оборудования в лаборатории. Альтернативой ПЦР могла бы стать петлевая изотермическая амплификация (Loop-mediated isothermal amplification, LAMP).
В случае детекции SARS-CoV-2, и для ПЦР, и для LAMP первым шагом становится обратная транскрипция: информация с РНК коронавируса переводится в ДНК. Далее принцип LAMP, как и ПЦР, заключается в увеличении количества копий определенного участка ДНК в пробе за короткое время. Для ПЦР необходимы циклические изменения температуры и, соответственно, сложный прибор, который будет точно контролировать процесс. LAMP же проходит в условиях одного постоянного значения температуры, около 60-65 градусов Цельсия.
В смеси реакции для LAMP есть полимераза (фермент, который способствует синтезу ДНК) и шесть коротких одноцепочечных молекул ДНК (праймеров), которые указывают полимеразе, где начинать синтезировать новую цепочку. Праймеры для LAMP подобраны таким образом, что если в образце есть нужный участок ДНК, то после первых этапов реакции образуется много одноцепочечных копий этого участка, концы которых закольцованы сами на себя, образуя петли (отсюда и название – петлевая изотермическая амплификация). На эти петли опять «садятся» праймеры, которые запускают процесс снова и снова. В результате число копий в пробирке растет экспоненциально.
Доступного теста на ковид на основе этой технологии на рынке еще нет. Такой продукт должен быть дешевым, а его производство должно быть достаточно легким – потребуются миллионы копий в короткие сроки. Кроме того, эффективность тестирования не должна зависеть от навыков пользователя или требовать сложных устройств для контроля постоянной температуры. В удаленных регионах даже может понадобиться проведение тестирования в условиях отсутствия электричества. Обеспечивать необходимую температуру можно, например, при помощи материала, который выделяет тепло в процессе смены агрегатного состояния. Пока вещество кристаллизуется или плавится, в нем поддерживается одна и та же температура.
Ученые из Вагенингенского университета под руководством Витторио Заггиомо (Vittorio Saggiomo) сначала перебрали несколько вариантов нагревания образцов в домашних условиях – в духовых шкафах, посудомойках, – но не нашли оптимального варианта для проведения LAMP. Тогда исследователи сконструировали прибор для тестирования на ковид из алюминиевых капсул Nespresso, парафина с температурой плавления 63-65 градусов Цельсия и держателя, распечатанного на 3D-принтере. Алюминиевые капсулы из-под кофе прекрасно проводят тепло, и одна капсула вмещает 5-6 граммов выбранного в качестве грелки вещества. Эта масса топится в горячей воде около 25 минут, поддерживая постоянную температуру, и этого достаточно для проведения реакции.
Подготовка устройства проста: гранулированный материал грелки кладут в чистую кофейную капсулу и топят на водяной бане. В еще жидкую массу вставляют пробирки, чтобы в затвердевшей смеси остались отверстия для них. После застывания пробирки убирают, и готовую к использованию капсулу с твердым парафином можно хранить при комнатной температуре месяцами.
Устройство капсулы для тестирования.
Aldrik H. Velders et al. / ChemRxiv, 2021
Использование КороНаспрессо также не требует особенных навыков: достаточно вставить пробирки с пробой в капсулу, а саму капсулу поместить в горячую водяную баню, снятую с огня. Грелка тает, поддерживая температуру 61-67 градусов Цельсия на протяжении 15 минут. Затем, несмотря на то, что вода начнет остывать, масса все еще будет поддерживать необходимую температуру: смесь твердеет при тех же 64 градусах Цельсия. Таким образом, грелка обеспечивает 25 минут реакции LAMP. Результат можно оценить невооруженным глазом – по цвету раствора в пробирке. В целях безопасности после тестирования ученые предлагают прокипятить пробы во все той же кастрюле, а потом спокойно утилизировать вместе с бытовыми отходами. Капсулы от кофе можно использовать повторно. Стоимость устройства авторы работы оценили в двадцать евроцентов.
Тестирование на ковид на кухне: достаточно вскипятить воду, поместить капсулу с пробирками в воду на 25-30 минут и оценить результат теста по цвету раствора.
Aldrik H. Velders et al. / ChemRxiv, 2021
Сами исследователи попробовали систему на трех положительных и трех отрицательных образцах. Результаты диагностики совпали с ПЦР-тестом. Ученые отмечают, что в дальнейшем понадобится подобрать оптимальные ферменты и праймеры для улучшения чувствительности теста, но это стандартный процесс для любого нового метода тестирования.
