Анализаторы выдыхаемого воздуха как метод быстрого тестирования на COVID-19

Концертные площадки, международные аэропорты и даже рестораны все чаще просят посетителей предоставить отрицательный тест на COVID-19 перед входом в помещение. Некоторые организации предлагают тестировать людей на месте при входе. Однако существующие варианты тестирования на COVID-19 недостаточно удобны для массового ежедневного скрининга, который хотели бы внедрить некоторые предприятия. Экспресс-тесты на антиген занимают около 15 минут и являются дефицитом. Результаты молекулярных тестов - золотой стандарт - часто становятся доступными через несколько дней. Оба теста обычно требуют проведения мазка в носу - не совсем то, что люди любят делать, отправляясь развлекаться.

Это заставило ученых разработать сверхбыстрые методы тестирования с использованием образцов дыхания. Такие устройства не так неудобны с социальной точки зрения и могут выдавать результаты менее чем за минуту - достаточно быстро, чтобы проводить проверку больших толп людей, проходящих через торговые центры и аэропорты.

В этом обзоре мы хотим представить шесть различных подходов к анализу дыхания на наличие SARS-CoV-2, вируса, вызывающего COVID-19. Некоторые из этих технологий могут определять вирус напрямую. Другие улавливают косвенные признаки, такие как соответствующие летучие органические соединения. Эти молекулы присутствуют в дыхании здорового человека, но их соотношение меняется, когда человек заражен вирусом.

Эти технологии разработаны компаниями, работающими в самых разных областях, которые переключились на COVID-19, когда разразилась пандемия. Например, американская компания Steradian Technologies создавала продукт для обеспечения "сверхзрения" человека и сумела превратить свою оптическую технологию в диагностическую.

Анализаторы дыхания для обнаружения COVID-19 пока не доступны для широкого распространения, но вскоре мы можем увидеть их появление в отдельных местах по всему миру. Например, в мае Сингапур предварительно одобрил подобное устройство Breathonix и, по данным компании, его можно использовать для проверки прибывающих путешественников на контрольно-пропускном пункте Туас между Сингапуром и Малайзией, где для въезда в город-государство требуется отрицательный тест.

Устройство с похожим названием Breathomix из Нидерландов недавно было использовано портовой компанией в Роттердаме для ежедневной проверки около 3500 сотрудников.

После дополнительной клинической проверки тесты на основе дыхания COVID-19, возможно, наконец, дадут миру более удобный и комфортный вариант тестирования.

Фотонный биосенсор

Разработанное американской компанией Steradian Technologies устройство, получившее название Rumi, позволяет получить результат тестирования на COVID-19 уже в течение 30 секунд.

Пользователь дует в трубку, и если вирус присутствует, его белковые рецепторы связываются с химически реактивным биосенсором. В результате связывания биосенсор начинает излучать свет в виде фотонов. Зеркала внутри портативного устройства концентрируют световое излучение в одной фокальной точке, усиливая сигнал и позволяя произвести измерение. Световое излучение указывает на положительный результат тестирования.

Этот прибор, по виду похожий на клеевой пистолет, подходит для проверки людей перед входом на предприятие, концерт или в школу.

"Электронный нос"

Созданный нидерландскими учеными из компании Breathomix прибор SpiroNose, похожий на поллитровую бутылку, выдает результаты анализа менее, чем за минуту.

Этот "электронный нос", содержащий семь различных биосенсоров, обнаруживает летучие органические соединения в выдыхаемом воздухе. Сенсоры, изготовленные из металлооксидных полупроводников, вступают в реакцию с соединениями, содержащимися в выдыхаемом воздухе. Реакции вызывают измеримые изменения в потоке электронов и указывают на присутствие определенных соединений. Затем алгоритмы распознавания образов сравнивают показания анализа образца с профилями здоровых и инфицированных образцов в своей базе данных. Прибор либо выдает отрицательный результат, либо рекомендует дальнейшее тестирование. Само по себе устройство не дает окончательного положительного диагноза COVID-19.

Устройство подходит для скрининга учащихся в школе или сотрудников крупных компаний.

Масс-спектрометрия

Прибор BreFence Go COVID-19 Breath Test System разработан компанией Breathonix и также позволяет определить результат менее, чем за минуту.

При использовании метода масс-спектрометрии летучие органические соединения в образце дыхания фрагментируются, получают электрический заряд и подвергаются воздействию магнитного поля. Это заставляет фрагменты двигаться по разным траекториям в зависимости от соотношения их массы и заряда. Детектор регистрирует их количество в масс-спектре, основываясь на этих соотношениях и времени, которое требуется молекулам для прохождения известного расстояния через аппарат. Полученные данные помогают идентифицировать эти вещества, присутствующие в образце.

Это устройство, похожее по своим размерам на посудомоечную машину, наиболее подходит для тестирования людей в больницах, клинических лабораториях и пунктах оказания медицинской помощи, и требует присутствия обученных операторов.

Терагерцовая спектроскопия

Несколько другой способ анализа дыхания с целью определения заражения COVID-19 разработала немецкая компания RAM Group DE.

Этот прибор, получивший название ThEA Terahertz Express Analyzer, работает за счет того, что содержащаяся в нем наноантенна из метаматериала, нанесенная на стекло, создает резонанс в определенных точках в диапазоне от 1 до 2 терагерц. Эти волны уникальным образом взаимодействуют с коронавирусом SARS-CoV-2 и его белковой структурой. Когда вирус присутствует в дыхании человека или в образце мазка из горла, он притягивается к мельчайшим структурам на антенне. Присутствие этого вирусного вещества создает возмущения в резонансе при взаимодействии с терагерцовой волной, создавая изменение в спектре. Обнаружение этого сигнала указывает на положительный результат теста. Результат прибор выдает менее, чем через две минуты.

Устройство вполне может использоваться для скрининга людей, проходящих через транспортные хабы и коммерческие центры.

Газовая хроматография

Разработанное британскими учеными из компании Imspex Diagnostix устройство BreathSpec позволяет диагностировать наличие вируса SARS-CoV-2 в дыхании человека примерно за 8 минут.

При измерениях образец дыхания проходит через газохроматографическую колонку, которая разделяет частицы по их размеру. Затем молекулы попадают в камеру спектрометрии ионной подвижности, где они ионизируются, ускоряются по всей камере и ударяются о "чашку Фарадея"*. В результате образуется ток, специфичный для каждой молекулы, который используется для получения трехмерной хроматограммы, которую можно анализировать с помощью алгоритмов машинного обучения. Для скрининга COVID система ищет конкретные изменения в соотношении летучих органических соединений, присутствующих в образцах дыхания, по сравнению с таковыми в дыхании здорового человека.

Устройство, не превышающее по своим размерам стандартную микроволновую печь, может использоваться для тестирования людей в аэропортах, на музыкальных фестивалях, а также сотрудников крупных компаний.

Ферментные сенсоры

Дыхание человека содержит множество биомаркеров, в том числе потенциально указывающих на присутствие вируса SARS-CoV-2. Те, кто инфицирован вирусом, обычно начинают выдыхать протеазы - ферменты, которые ускоряют распад белков, связанных с новым вирусом. Это привело к тому, что ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) занялись разработкой датчика, который можно носить на масках, чтобы обнаружить присутствие этих ферментов и, следовательно, вируса КОВИД-19.

Сенсор состоит из полоски, похожей на тест на беременность, с небольшим блистерным блоком. Поверхность полоски предназначена для сбора частиц из выдыхаемого воздуха. Когда необходимо провести тест, пользователь просто нажимает на блистерный блок, который смешивает специальные наночастицы с протеазами, которые могут существовать на поверхности полоски. Если эти ферменты присутствуют на полоске, то ее цвет меняется, указывая на наличие протеаз, а значит и на вирус.

Подобный метод, в отличие от вышеприведенных устройств, не предназначен для массового тестирования людей и предназначен для индивидуального применения. Но при массового производстве таких сенсоров их стоимость может быть очень низкой, что позволит обеспечить расширенное производство подобных масок с сенсорами.

* Чашка Фарадея - это металлическая (проводящая) чашка, предназначенная для улавливания заряженных частиц в вакууме. Полученный ток может быть измерен и использован для определения количества ионов или электронов, попавших в чашку.

По материалам IEEE Spectrum, Fierce Biotech, Medgadget.com