Een ritje naar de teststraat kan zomaar overbodig worden nu onderzoekers erin geslaagd zijn om biosensoren die SARS-CoV-2 kunnen detecteren, in mondkapjes te verwerken.

Dat is te lezen in het blad Nature Biotechnology. “We hebben in feite een compleet diagnostisch laboratorium in een kleine biosensor gestopt die in elk mondkapje toegepast kan worden en net zo accuraat is als de PCR-test, maar tegelijkertijd net zo snel en goedkoop is als de antigeentest,” stelt onderzoeker Peter Nguyen.

Hoe werkt het?
De biosensoren zijn gebaseerd op wat onderzoekers celvrije technologie noemen. “Al decennialang gebruiken we in laboratoria onderdelen van cellen,” zo legt Nguyen uit. “Zo gebruiken we bijvoorbeeld een enzym afkomstig uit een bacterie om DNA te kopiëren. Dat gebeurt elke dag in laboratoria wereldwijd. Ook zijn we in staat om cellulaire onderdelen met elkaar te combineren om biologische processen – zoals de omzetting van DNA in RNA – in het laboratorium te laten plaatsvinden. We zijn dus in staat om belangrijke chemische reacties die in een cel plaatsvinden, buiten die cel uit te voeren. Dat noemen we celvrije technologie.”

Voordelen
De aanpak heeft een aantal cruciale voordelen. “Je hoeft geen cellen in leven te houden en je kunt de reacties dus ook uitvoeren onder omstandigheden die normaal gesproken dodelijk zijn voor levende cellen.” Daarnaast hoeven laboranten die op deze manier onderzoek doen naar ziekteverwekkers niet bang te zijn dat ze besmet raken. “Er zijn immers geen cellen die zich kunnen vermenigvuldigen.” Een ander zeer belangrijk voordeel van de bevrijde celcomponenten is dat onderzoek heeft uitgewezen dat het mogelijk is om ze – zonder verlies van functie – te vriesdrogen. “Je kunt ze dan op een later moment weer hydrateren.” Het betekent dat de celcomponenten maandenlang bij kamertemperatuur bewaard kunnen worden.

Ebola en Zika
Jaren geleden gebruikten onderzoekers deze gevriesdroogde, celvrije technologie al om biosensoren te ontwikkelen die het ebola- en zikavirus konden detecteren. En nu tonen ze aan dat de biosensoren ook gebruikt kunnen worden om SARS-CoV-2 te detecteren én dat het mogelijk is om ze in stof te integreren.

Mondkapje
Onderzoekers besloten de SARS-CoV-2-sensor – samen met een klein waterreservoir – te integreren in een mondkapje. Om de gevriesdroogde biosensor te activeren, kan de drager van het mondkapje met een eenvoudige druk op de knop wat water vanuit het reservoir bij de biosensor brengen. Daarmee worden eigenlijk drie celvrije reacties op gang gebracht. De eerste is bedoeld om het celmembraan van eventuele SARS-CoV-2-virusdeeltjes open te scheuren en het RNA bloot te leggen. Vervolgens worden er met een tweede celvrije reactie meerdere kopieën gemaakt van het gen dat codeert voor de spike-eiwitten. En tenslotte wordt de CRISPR-technologie gebruikt om fragmenten van deze spike-genen te detecteren. “De celvrije reacties die we gebruiken, bevatten ook CRISPR-enzymen,” vertelt Nguyen. “Deze enzymen worden momenteel veel gebruikt voor gen-editing, maar kunnen ook gebruikt worden als sensoren. Het zijn namelijk enzymen die een stukje genetisch materiaal met grote precisie kunnen scannen en identificeren. En deze enzymen zijn heel eenvoudig zo te programmeren dat ze gaan zoeken naar de stukjes genetisch materiaal waarin wij geïnteresseerd zijn.” In dit geval dus fragmenten van de spike-genen. En zodra deze gedetecteerd zijn, knipt het CRISPR-systeem een molecuul in tweeën. Wanneer de knip gezet is – en het coronavirus dus in de adem van de drager van het mondkapje gedetecteerd is – kan de drager dat aan de binnenzijde van het mondkapje zien. Op een speciaal venstertje verschijnt dan – net als bij een zwangerschapstest – naast een controlestreepje een extra streep die duidt op de aanwezigheid van SARS-CoV-2.

Een mondkapje met de biosensor. Afbeelding: Wyss Institute at Harvard University.

Gevoelig
“Wanneer je deze op CRISPR gebaseerde sensoren in het laboratorium gebruikt, kunnen ze eigenlijk nog veel gevoeliger zijn dan de PCR-test,” aldus Nguyen. “Maar voor ons mondmasker hebben we deze sensoren eerst gevriesdroogd en later bij kamertemperatuur ingezet, waardoor ze iets minder efficiënt zijn, maar zich qua gevoeligheid nog steeds kunnen meten met de door de Wereldgezondheidsorganisatie goedgekeurde PCR-tests voor COVID-19.” Waar de uitslag van een PCR-test echter al gauw een tijdje op zich laat wachten, kan de biosensor binnen 90 minuten laten weten of iemand het coronavirus onder de leden heeft of niet.

Geduld
Het klinkt geweldig, maar het kan helaas nog wel even duren voor de mondkapjes ook echt bij de drogist te verkrijgen zijn. “Op dit moment zijn we aan het kijken hoe we ze op grote schaal kunnen produceren,” stelt Nguyen. “We zijn op zoek naar fabrikanten van biomedische apparaten en mondkapjes waarmee we kunnen samenwerken. Gezien de lage kosten (het huidige prototype kostte zo’n vijf dollar), het gemak, de lange houdbaarheid en de goede prestaties verwachten we dat fabrikanten graag met ons willen samenwerken.” Maar daarmee zijn de onderzoekers er nog niet. Het mondkapje moet namelijk vervolgens ook nog goedgekeurd worden als diagnosemiddel.

Stiekem hopen we natuurlijk dat het diagnostische mondkapje tijdens die periode van doorontwikkeling en goedkeuring al snel overbodig zal worden. Het zou namelijk betekenen dat we het coronavirus eindelijk onder controle hebben. En dat doet niets af aan het harde werk van de onderzoekers, want zij zien nog genoeg andere mogelijkheden voor hun biosensoren, die vrij gemakkelijk kunnen worden aangepast om op andere ziekteverwekkers of gevaarlijke stoffen te jagen. “De technologie kan verwerkt worden in labjassen voor wetenschappers die met gevaarlijke materialen of ziekteverwekkers werken, in schorten voor dokters en verpleegsters of in de uniformen van eerstehulpverleners en militairen die bloot kunnen worden gesteld aan gevaarlijke ziekteverwekkers of giftige stoffen, zoals zenuwgas,” aldus onderzoeker Nina Donghia.