DE102020107918A1

DE102020107918A1 - Detektion von viren

Info

Publication number: DE102020107918A1
Application number: DE102020107918.4A
Authority: DE
Inventors: Frank Flacke; Konstantin Kloppstech; Constantin von Gersdorff; Mirsad Devic
Original assignee: Digital Diagnostics Ag
Current assignee: Digid GmbH
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2021-09-23
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: EP4127717A1; US20230341387A1; CN115715368A; WO2021191239A1; DE102020107918B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Detektion von Viren. Im Speziellen betrifft die Erfindung miniaturisierte Federelemente aufweisend eine Detektorzone, an welche spezifisch an virale Antigene bindende Bindemoleküle gekoppelt sind, sowie Vorrichtungen umfassend diese Federelement und entsprechende Verfahren zur Detektion von Viren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Detektion von Viren. Im Speziellen betrifft die Erfindung miniaturisierte Federelemente aufweisend eine Detektorzone, an welche spezifisch an virale Antigene bindende Bindemoleküle gekoppelt sind, sowie Vorrichtungen umfassend diese Federelement und entsprechende Verfahren zur Detektion von Viren.
Bis dato sind keine verlässlichen und kosteneffektiven Point-of-Care Screening-Tests zur zeitnahen Diagnose einer SARS-CoV-2 Virusinfektion am Behandlungsort verfügbar. Der am weitest verbreitete Test beruht auf einem reverse Transkriptase PCR Verfahren (Corman VM, Landt O, Kaiser M, et al. Detection of 2019 novel coronavirus (2019-nCoV) by real-time RT-PCR. Euro Surveill. 2020;25(3):2000045. doi:10.2807/1560-7917.ES.2020.25.3.2000045) welches in einen relativ hohen Arbeitsaufwand durch die Analyse in spezialisierten Diagnostiklaboratorien und einen damit verbunden Zeitaufwand von bis zu drei Tagen zwischen Probennahme und Vorliegen des Ergebnisses beim medizinischen Personal bzw. Patienten bedingt. Diese Verzögerung bedingt sowohl eine länger andauernde Unsicherheit beim Patienten, als auch eine signifikante Verzögerung sowohl in gezielten Behandlung des Patienten, als auch in der Anwendung von geeigneten Maßnahmen zur Eindämmung der Epidemie.
Existierende Point-of-Care Testverfahren basieren auf der Bestimmung der antiviralen Immunreaktion mittels Messung von IgG und IgM Antikörpern (Li Z, Yi Y, Luo X, et al. Development and Clinical Application of A Rapid IgM-IgG Combined Antibody Test for SARS-CoV-2 Infection Diagnosis [published online ahead of print, 2020 Feb 27]. J Med Virol. 2020;10.1002/jmv.25727. doi:10.1002/jmv.25727) mittels lateralflußbasierter immunchromatographischer Verfahren. Virusspezifische Antikörper können im Plasma allerdings erst 7 bis 10 Tage nach Infektion nachgewiesen werden. Im Falle von SARS-CoV-2 sind Patienten jedoch bereits in der ersten Woche nach Infektion hoch ansteckend. Dies stellt einen der Hauptgründe für die schnelle weltweite Ausbreitung der COVID-19 Pandemie dar.
Die WO 2007/088018 A1 schlägt Federelemente zur Verwendung in Biosensoren wie Beispielsweise der DNA-Analyse vor. Eine Anwendung der Federelemente zur Detektion von Viren wird nicht offenbart.
Vor diesem Hintergrund lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Mittel bereitzustellen, welche die PCR unabhängige Detektion von Viren ermöglicht.
Diese Aufgabe wird von dem anspruchsgemäßen Federelement, sowie von den anspüchsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren gelöst.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein miniaturisiertes Federelement mit einem biegbaren Grundkörper, der eine Leitfähigkeitsdetektorzone und eine Bindungszone aufweist, wobei die elektrische Leitfähigkeit (σ) der Leitfähigkeitsdetektorzone durch elektronische Tunnel-, lonisations- oder Hoppingprozesse bestimmt ist, und wobei die Leitfähigkeitsdetektorzone aus in einer Matrix eingebetteten Nanopartikeln mit im Vergleich zum Matrixmaterial höherer elektrischer Leitfähigkeit gebildet ist, und wobei die Bindungszone (4) mindestens ein spezifisch an virale Antigene bindendes Bindemolekül (5) umfasst, welches an den Grundkörper gekoppelt ist.
In der vorliegenden Beschreibung der Erfindung werden Singular und Plural der Elemente der Erfindung wie Bindmolekül/Bindemoleküle, Antigen/Antigene usw. in der Regel austauschbar verwendet
Miniaturisiertes Federelement mit einem biegbaren Grundkörper, der eine Detektorzone aufweist, deren elektrische Leitfähigkeit (σ) durch elektronische Tunnel-, lonisations- oder Hoppingprozesse bestimmt ist, sowie deren Herstellung sind dem Fachmann aus der WO 2007/088018 A1 bekannt. Weiterhin sind dem Fachmann aus der US 4,426,768 ; US 4,510,178 und US 7.963,171 B2 Herstellverfahren für entsprechende Detektorzonen basierend auf einer Chromschicht hergestellt, die im Herstellungsprozess derart gestört wird, dass diese eine nichtleitende Chromoxid/Chromnitrid Schicht bildet, in der Chrompartikel eingebettet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Leitfähigkeitsdetektorzone durch eine einseitige Beschichtung mit Nanopartikeln auf der Ober- oder der Unterseite des Federelements ausgebildet. Somit weist erfindungsgemäß nur eine Seite des Federelements eine Leitfähigkeitsdetektorzone und eine Bindungszone auf.
Der Grundkörper des Federelements kann mit verschiedensten Materialien aufweisen eine geringe Leitfähigkeit wie etwa Polymeren, beispielsweise Polyimid, Carbonmaterial oder Silizium-basiertem Material ausgeführt werden. Bevorzugte Silizium-basiertem Materialen sind Siliziumoxide, Siliziumkarbid oder Siliziumnitrit. Bei dem Material des Grundkörpers kann es sich auch um ein Sandwichmaterial handeln.
Die genannten Federelemente weisen allgemein den Vorteil auf, dass diese eine sehr empfindliche Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit der Leitfähigkeitsdetektorzone von geringen Längenänderungen aufweisen. Solche Längenänderungen werden beispielsweise durch lokale Kontraktion oder Ausdehnung der oberflächennahen Bereiche des Federelements hervorgerufen. Insbesonder kann eine Bindung von Molekülen an der Bindungszone aufgrund der dadurch bedingten Veränderung der Oberflächenspannung der Bindungszone ein Biegen des Federelements bewirkt.
Bindemoleküle im Sinne der Erfindung können Moleküle sein, welche spezifisch an virale Antigene binden, wie beispielsweise Antikörper und Antikörperderivate, Antikörperfragmente wie Einzelkettenantikörper, Fab- oder (Fab)2-Fragmente. Ebenso können alternative Proteingerüste wie Antikaline, Lipokaline, Rezeptoren und deren Fragmente, Anfyrine, Microbodies oder Aptamere verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Bindemolekül ein Antikörper oder ein Antikörperfragment. Im Sinne der Erfindung bezieht sich die Bezeichnung „mindestens ein Bindemolekül“ auf mindestens eine Molekülspezies, beispielsweise eine Antikörperspezies. Alternative können auch mehrere unterschiedliche Antikörperspezies verwendet werden, welche an unterschiedliche Antigene binden. in der Regel sind eine Große Anzahl von Antikörpermolekülen einer Spezies an die Bindezone gekoppelt.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei Bindemolekülen die spezifisch an ein virales Antigen binden um Bindemoleküle, welche das Antigene mit einer Affinität (KD = k_off / k_on) von mindestens KD = 1×10^-5 mol/l, besonders bevorzugt mindestens 1 × 10^-7 mol/l oder mindestens 1×10^-8 mol/l und meist bevorzugt von mindestens 1×10^-9mol/l binden. Die Bindung von Bindemolekül und Antigen kann beispielsweise mittles Biacore-Verfahren bestimmt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Antikörper ein monoklonaler, polyklonaler oder multiklonaler, meist bevorzugt ein monoklonaler Antikörper oder ein Antikörperfragement. Bevorzugt ist der Antikörper ein IgG Antikörper, es können aber auch andere Immunglobulinklassen verwendet werden. Weiterhin ist der Antikörper bevorzugt ein rekombinanter Antikörper.
Die vorliegende Erfindung kann generell für Antigene aller Viren ausgeführt werden. In einem besonders bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung bindet das Bindemolekül spezifisch an ein Antigen von Coronaviren, insbesondere ein Antigen des SARS-CoV-2 Virus. Bevorzugt handelt es sich bei dem Antigen um ein Peptidantigen, insbesondere um ein Antigen welches im Spikeprotein (S-Protein), Hüllprotein (E-Protein), Membranprotein (M-Protein) oder Nukleokapsidprotein (N-Protein) des SARS-CoV-2 Virus enthalten ist. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Antigen, welches in einem Protein enthalten ist, durch eine Aminosäuresequenz definiert, welche in der Aminosäuresequenz des fraglichen Proteins enthalten ist. Antigene im Sinne der vorliegenden Erfindungen können jedoch auch konformationelle Antigene sein.
Das im Spikeprotein (S Protein) enthaltene Antigen kann bevorzugt eine Aminosäuresequenz aufweisen welche in einer der durch die GenBank Zugangsnummern QII57161.1, QIC53213.1, QHR63290.2, QHR63280.2, QHR63270.2, QHR63260.2, QHR63250.2, YP_009724390.1 oder QIA20044.1 identifizierten Sequenzen enthalten ist.
Das im Hüllprotein (E Protein) enthaltene Antigen kann bevorzugt eine Aminosäuresequenz aufweisen welche in einer der durch die GenBank Zugangsnummern QIA98556.1, BCA87373.1, BCA87363.1, QIM47478.1, QIM47469.1, QIM47459.1, QII87842.1, QII87832.1, QII87820.1, QII87808.1, QII87796.1, QII87784.1, QIK50450.1, QIK50440.1, QIK50429.1, QIE07483.1, QIE07473.1, QIE07463.1 oder QIH55223.1 identifizierten Sequenzen enthalten ist.
Das im Nukleokapsidprotein (N Protein) enthaltene Antigen kann bevorzugt eine Aminosäuresequenz aufweisen welche in einer der durch die GenBank Zugangsnummern QIC53221.1, QII87776.1, QII87775.1, QHR63298.1, QHR63288.1, QHR63278.1, QHR63268.1, QHR63258.1, QH062115.1 oder QH062110.1 identifizierten Sequenzen enthalten ist.
Das im Membranprotein (M Protein) enthaltene Antigen kann bevorzugt eine Aminosäuresequenz aufweisen welche in einer der durch die GenBank Zugangsnummern QIC53216.1, QHR63293.1, QHR63283.1, QHR63273.1, QHR63263.1, QHR63253.1 identifizierten Sequenzen enthalten ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bindet das Bindemolekül an ein Antigen welches im Spikeprotein enthalten ist. Das Spikeprotein steht in einem besonderen Maße von der Virusoberfläche ab. Somit sind Antigene im Spikeprotein sterisch gut für eine Bindung an ein Bindemolekül, wie beispielsweise einen Antikörper, zugänglich.
Die Bindemoleküle können direkt an das Material des Grundkörpers gekoppelt ein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Grundkörper im Bereich der Bindungszone mit einer Beschichtung beschichtet. In dieser Ausführungsform ist das Bindemolekül an die Beschichtung gekoppelt, sodass die Beschichtung zwischen dem Grundkörper und dem Bindemolekül lokalisiert ist.
Die Beschichtung kann beispielsweise ein Edelmetall wie etwa Au oder Pt umfassen. Des Weiteren kann die Beschichtung Nanopartikel umfassen.
Die Bindemoleküle können sowohl kovalent als auch nicht-kovalent an die Bindungszone gekoppelt sein. Dem Fachmann sind verschiedene Kopplungsverfahren für Bindemoleküle wie Antikörper bekannt (Jazayeri MH, Amani H, Pourfatollah AA, Pazoki-Toroudi H, Sedighimoghaddam B. Various methods of gold nanoparticles (GNPs) conjugation to antibodies.
Sensing and Bio-Sensing Research. 2016; 9: 17-22). Im Falle einer AU Beschichtung der Bindezone kann beispielsweise sowohl für eine kovalente Kopplung als auch für eine nicht-kovalent Kopplung in einem ersten Schritt an die Au Beschichtung mit einer Thiol-Polyethylenglykolverbindung (Thiol-PEG), beispielsweise mit einer Thiol-Polyethylenglykolsäure oder einem Thiol-Polyethylenglykester, Pegyliert werden. Eine kovalent Kopplung des Antikörpers kann anschließend beispielsweise nach einem bekannten Verfahren mittels N-Hydroxysuccinimid (NHS) und N-Ethyl-N-[3-dimethylaminopropyl] carbodiimid (EDC) erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Antikörper mittels Avidin/Streptavidin-Bindung an die Au Beschichtung gekoppelt. Hierzu kann entweder im zuvor genannten Verfahren Steptavidin kovalent mittels N-Hydroxysuccinimid (NHS) und N-Ethyl-N-[3-dimethylaminopropyl] carbodiimid (EDC) an die pegylierte Au Beschichtunug gekoppelt werden oder in einem ersten Schritt direkt Thiol-PEG-biotin an die Au Beschichtung gekoppelt und anschließen Steptavidin an das Au-gekoppelte Thiol-PEG-biotin nicht-kovalent gebunden werden. In beiden Fällen erfolgt im letzten Schritt eine nicht-kovalente Bindung eines biotinylierten Antikörpers an das, mittels der genannten Linker an die Au Beschichtung gekoppelte, Streptavidin.
Bei Ausführungsformen in denen die Bindungslose nicht beschichtet ist kann der Fachmann die genannten Kopplungsverfahren zur direkten Kopplung an das Material des Grundkörpers anpassen. Im Falle von Silizium basierten Materialien kann die Kopplung beispielsweise basierend auf PEG-Silanen erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der biotinylierte Antikörper in der Fc-Domäne, bevorzugt am C-terminalen Ende der Fc-Domäne biotinyliert. Eine entsprechende Biotinylierung richtet den Antikörper vorteilhafterweise so aus, dass die variablen Domänen von dem Federelement weg in Richtung des umgebenden Mediums gerichtet werden und somit sterisch ungehindert an Antigene in einem Medium in welchem Viren detektiert werden sollen, binden.
Die erfindungsgemäß von den Bindemolekülen gebundenen Antigene können in intakten Viren, Fragmenten von Viren oder einzelnen viralen Proteinen vorliegen.
Die Nanopartikel der Leitfähigkeitsdetektorzone sind bevorzugt metallisch. Besonders bevorzugt werden die Nanopartikel aus chemisch stabilen Materialien, meist bevorzugt aus Au, Pt oder Crgebildet. Die Nanopartikel können bevorzugt eine mittlere Partikelgröße von bis zu 100 nm, besonders bevorzugt bis zu 10 nm, aufweisen, sofern diese in der Leitfähigkeitsdetektorzone elektrisch ausreichend voneinander isoliert und ihre Abstände hinreichend klein sind, so dass sich Tunneleffekte zwischen ihnen einstellen können.
Die Matrix der Leitfähigkeitsdetektorzone wird insbesondere aus organischem, anorganischem oder dielektrischem Material, beispielsweise aus metallorganischen Komplexen, Monomeren, Oligomeren, Polymeren oder Gemischen aus diesen Monomeren, Oligomeren und Polymeren, gebildet. Verfahren zur Herstellung einer vorhergehend beschriebenen Leitfähigkeitsdetektorzone umfassend in einer Matrix eingebettete Nanopartikel sind dem Fachmann beispielsweise aus der WO 2007/088018 A1 bekannt.
Die Bindungszone muß nicht die gesamte Oberfläche des Federelements abseits der Leitfähigkeitsdetektorzone bedecken. Vielmehr kann der Fachmann die Größe und Position der Bindungszone in Abhängigkeit des von der Leitfähigkeitsdetektorzone erzeugten Signals anpassen und optimieren.
Das Federelement ist so konfiguriert, dass eine Bindung von viralen Antigenen an die Bindemoleküle der Bindungszone eine Änderung der Oberflächenspannung der Bindungszone bewirkt. Das Federelement ist weiterhin so konfiguriert, das die Änderung der Oberflächenspannung der Bindungszone ein Biegen des Federelements bewirkt. Weiterhin ist das Federelement folglich so konfiguriert, dass eine Bindung von viralen Antigenen an das Bindemoleküle der Bindungszone eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit in der Leitfähigkeitsdetektorzone bewirkt. Somit kann erfindungsgemäß durch die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Leitfähigkeitsdetektorzone eine Bindung von Antigenen an Bindemoleküle bestimmt werden.
In einem wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Federelement so konfiguriert, dass eine Bindung von viralen Antigenen an die Bindemoleküle der Bindungszone ein Biegen des Federelements bewirkt. Beim Inkontaktbringen eines erfindungsgemäßen Federelements mit einem zu testenden Medium enthaltend virale Antigene kann somit durch die Veränderung der Leitfähigkeit der Leitfähigkeitsdetektorzone die Bindung von viralen Antigenen an die Bindemoleküle der Bindungszone des Federelements bestimmt werden. Herzu kann in einem ersten Verfahren die Leitfähigkeit der Leitfähigkeitsdetektorzone vor dem Inkontaktbringen des Federelements mit einem zu testenden Medium und nach dem Inkontaktbringen des Federelements mit einem zu testenden Medium bestimmt werden. Durch Bestimmung der Veränderung der Leitfähigkeit kann die Anwesenheit von viralen Antigenen in dem zu testenden Medium abgeleitet und somit detektiert werden.
In einem alternativen, bevorzugten Verfahren wird ein zuvor beschriebenes Federelement umfassend Antigen bindende Bindemoleküle, im Folgenden als aktiviertes Federelement bezeichnet, und ein entsprechendes Federelement, welches jedoch mindestens keine Bindemoleküle wie zuvor beschrieben umfasst, im Folgenden als inertes Federelement bezeichnet, verwendet. In diesem Verfahren werden sowohl das aktivierte Federelement als auch das inerte Federelement mit einem zu testenden Medium in Kontakt gebracht. Erfindungsgemäß sind das aktivierte und das inerte Federelement so konfiguriert, dass durch die Bindung von im Medium befindlichen Antigenen an die Bindemoleküle des aktivierten Federelements in der Leitfähigkeitsdetektorzone des aktivierten Federelements eine größere Leitfähigkeitsveränderung hervorgerufen, als in der Leitfähigkeitsdetektorzone des inerten Federelements durch bloße Anwesenheit des Mediums jedoch unter Ausbleiben der spezifischen Bindung von Antigenen. Durch Bestimmung der Differenz der Leitfähigkeit der Leitfähigkeitsdetektorzonen des aktivierten und des inerten Federelements kann die Anwesenheit von viralen Antigenen in dem zu testenden Medium abgeleitet und somit detektiert werden.
Die erfindungsgemäßen Federelemente ermöglichen somit auf einfache und schnelle Weise die Detektion von viralen Antigenen in einem Medium. Die miniaturisierten Federelemente weisen weiterhin den Vorteil auf, dass diese sich vergleichsweise kostengünstig in großen Stückzahlen mittels etablierter Verfahren herstellen lassen.
Die erfindungsgemäßen Federelemente können in verschiedenen Vorrichtung zur Detektion von Viren verwendet werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Viren umfasst mindestens ein vorhergehend beschriebenes aktiviertes Federelement, mindestens einen elektrischen Sensor zur Bestimmung der Leitfähigkeit der Leitfähigkeitsdetektorzone des Federelements und mindestens einen Komparator. Der Komparator kann so konfiguriert sein, dass dieser den Istwert der Leitfähigkeit eines Federelements, welches in Kontakt mit einem Medium ist, mit einem vorherbestimmten Sollwert vergleicht. Der Komparator ist weiterhin so konfiguriert, dass dieser aus einer Abweichung von Istwert und Sollwert der Leitfähigkeit die Anwesenheit von Antigenen in dem Medium ableiten und ein entsprechendes Signal an eine Ausgabevorrichtung oder einen Prozessor weiterleiten kann. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Stromquelle für den elektrischen Sensor, den Komparator und optional weiter Elemente.
Eine weiter erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Viren umfasst mindestens ein vorhergehend beschriebenes aktiviertes und mindestens ein inertes Federelement, mindestens elektrische Sensoren zur Bestimmung der Leitfähigkeit der Leitfähigkeitsdetektorzonen des aktivierten und des inerten Federelements und mindestens einen Komparator. Der Komparator kann so konfiguriert sein, dass dieser die Leitfähigkeit des aktivierten und des inerten Federelements, welche in Kontakt mit einem Medium sind, miteinander vergleicht. Der Komparator ist weiterhin so konfiguriert, das dieser aus einer Abweichung der Leitfähigkeit des aktivierten und des inerten Federelements die Anwesenheit von Antigenen in dem Medium ableiten und ein entsprechendes Signal an eine Ausgabevorrichtung oder einen Prozessor weiterleiten kann. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Stromquelle für den elektrischen Sensor, den Komparator und optional weiter Elemente.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die aktivierten und inerten Federelemente in Form einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung in Form eines mikrofluidischen Chips umfassend einen Bereich, welcher zur Aufnahme einer Probe in einem flüssigen Medium konfiguriert ist, mindestens einen Mikrofluidkanal, welcher so konfiguriert ist, dass dieser das flüssige Medium in mindestens eine Messkammer leitet, und mindestens eine Messkammer umfassend mindestens ein erstes und zweites Federelement. Bei dem ersten Federelement handelt es sich um ein aktiviertes Federelement wie hierin beschrieben. Bei dem zweiten Federelement handelt es sich um ein inertes Federelement wie hierin beschrieben. Weiterhin umfasst die Vorrichtung elektrische Kontakte welche mit den Leitfähigkeitsdetektorzonen des ersten und zweiten Federelements verbunden sind. Die Kontakte sind so konfiguriert, dass diese beim Einführen des Chips in eine Auswertevorrichtung mit korrespondierenden Kontakten der Auswertevorrichtung verbunden werden können.
Die Kontakte der Auswertevorrichtung sind mit elektrischen Sensoren verbunden die zur Bestimmung der Leitfähigkeit der Leitfähigkeitsdetektorzonen des aktivierten und des inerten Federelements des mikrofluidischen Chips konfiguriert sind. Weiterhin umfasst die Auswertevorrichtung mindestens einen Komparator. Der Komparator kann so konfiguriert sein, dass dieser die Leitfähigkeit des aktivierten und des inerten Federelements des mikrofluidischen Chips, welche in Kontakt mit einem flüssigen Medium sind, miteinander vergleicht. Der Komparator ist weiterhin so konfiguriert, das dieser aus einer Abweichung der Leitfähigkeit des aktivierten und des inerten Federelements die Anwesenheit von Antigenen in dem Medium ableiten und ein entsprechendes Signal an eine Ausgabevorrichtung oder einen Prozessor weiterleiten kann. Die Ausgabevorrichtung kann erfindungsgemäß so konfiguriert sein, dass das vorliegen von Viren in dem getesteten Medium als binäres Ja/Nein angezeigt wird. Die Ausgabevorrichtung kann jedoch auch ein Signal ausgeben, welches proportional zu der Menge der gebundenen Antigene ist. Mittels einer entsprechenden Kolorierung kann die Vorrichtung so konfiguriert werden, dass eine Antigenkonzentration durch die Ausgabevorrichtung angezeigt wird. Weiterhin umfasst die Auswertevorrichtung eine Stromquelle für den elektrischen Sensor, den Komparator und optional weiter Elemente. Weiterhin kann die Auswertevorrichtung eine Sendeeinrichtung, beispielsweise eine Mobilfunksendeeinrichtung umfassen, mittels welcher Daten von dem Prozessor an Empfangsvorrichtungen weitergeleitet werden können. Somit ermöglicht die Auswertevorrichtung eine schnelle Verbreitung relevanter epidemiologischer Daten.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein System zur Detektion von Viren umfassend einen erfindungsgemäßen mikrofluidischen Chip und eine erfindungsgemäße Auswertevorrichtung.
Bevorzugt sind die Viren in den verschiedenen Aspekten der Erfindung Coronaviren, insbesondere SARS-CoV-2.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Detektion von Viren umfassend das Inkontaktbringen einer Probe enthaltend ein Virus mit einem erfindungsgemäßen Federelement. Die Probe ist bevorzugt eine menschliche oder tierische Körperflüssigkeit, wie beispielsweise Speichel, Blut, Lymphe, Magensaft, Schweiß, eine Körperausscheidung, wie beispielsweise Urin oder Stuhl, oder mindestens eine Zelle. Zellen und Speichel als Proben werden bevorzugt als Schleimhautabstrich gewonnen.
In Anhängigkeit von der Art der Probe kann das Inkontaktbringen der Probe mit dem Federelement direkt oder indirekt erfolgen. In der Regel erfolgt das Inkontaktbringen indirekt, indem die Probe in einem zuvor genannten Medium aufgenommen, gelöst oder suspendiert wird und das flüssige Medium mit dem Federelement wie zuvor beschrieben in Kontakt gebracht wird.
Das erfindungsgemäße Federelement oder die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können in einem Verfahren zur Diagnose der Infektion eines Individuums mit einem Virus verwendet werden. Somit betrifft die Erfindung die hierin beschriebenen Vorrichtungen zur Verwendung in einem Verfahren zur Diagnose der Infektion eines Individuums mit einem Virus. Das Verfahren umfasst mindestens den Schritt des Inkontaktbringens einer Probe enthaltend eine Körperflüssigkeit oder eine Zelle eines Individuums mit dem erfindungsgemäßen Federelement. Durch das Inkontaktbringen mit dem Federelement wird das Virus wie vorhergehend beschrieben detektiert. Somit kann auf eine Infektion des Individuums mit dem Virus geschlossen werden. Weiterhin kann das Verfahren den Schritt der Probenname umfassen.
Mittels der beschriebenen Vorrichtungen stellt die Erfindung kleine und mobile Geräte zum Schnelltest von Viren direkt für medizinisches Personal wie Hausärzten, Rettungssanitätern oder Pflegepersonal zur Verfügung die ohne große Vorkenntnisse eingesetzt werden können. Die erfindungsgemäßen Verfahren reagiert im Vergleich zu anderen Testverfahren sehr viel zuverlässiger zu jedem Zeitpunkt des Infektionsverlaufes und führt zu einer klaren elektronischen „JA“- oder „NEIN“-Aussage zum Vorhandensein des Virus in der getesteten Probe. Die Ergebnisse liegen in wenigen Minuten vor und der zeitaufwändige Transport der Proben zum Labor entfällt.
Die technische Skalierbarkeit der Diagnoseplattform ermöglicht den schnellen Test von Millionen Menschen und damit die Realtime-Überwachung und anonymisierte Kontrolle der Krankheitsausbreitung innerhalb der Bevölkerung. Durch die Anbindung Auswertevorrichtung an die Cloud können in Echtzeit neu entstandene regionale Hotspots der Virenverbreitung erkannt und unmittelbar eingedämmt werden. Damit können Einschränkungen der Bewegungsfreiheit, die knappen Ressourcen der Gesundheitsverwaltung und Krankenhäuser sehr viel zielgerichteter und effizienter eingesetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Abbildung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
zeigt ein Federelement verbunden mit einem elektrischen Sensoren vor Bindung ( und nach Bindung ( von Viren an das Federelement.
zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen miniaturisiertes Federelements 1 mit einem biegbaren Grundkörper 2, der eine Leitfähigkeitsdetektorzone 3 und eine Bindungszone 4 aufweist, wobei die elektrische Leitfähigkeit (σ) der Leitfähigkeitsdetektorzone durch elektronische Tunnel-, lonisations- oder Hoppingprozesse bestimmt ist, und wobei die Leitfähigkeitsdetektorzone aus in einer Matrix eingebetteten Nanopartikeln mit im Vergleich zum Matrixmaterial höherer elektrischer Leitfähigkeit gebildet ist, und wobei die Bindungszone (4) mindestens ein spezifisch an virale Antigene bindendes Bindemolekül (5) umfasst, welches an den Grundkörper gekoppelt ist st.
Die Leitfähigkeitsdetektorzone ist mit einem elektrischen Sensor 6 zur Bestimmung der Leitfähigkeit der Leitfähigkeitsdetektorzone 3 verbunden.
Das Federelement 1 ist so konfiguriert, dass eine Bindung von viralen Antigenen 7 an das Bindemoleküle 5 der Bindungszone 4 eine Änderung der Oberflächenspannung der Bindungszone 4 bewirkt.
Wie in gezeigt ist das Federelement 1 so konfiguriert, das die Änderung der Oberflächenspannung der Bindungszone ein Biegen des Federelements 1 bewirkt. Weiterhin ist das Federelement 1 so konfiguriert ist, dass eine Bindung von viralen Antigenen 7 an das Bindemoleküle 5 der Bindungszone 4 eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der Leitfähigkeitsdetektorzone 3 bewirkt. Die Leitfähigkeit der Leitfähigkeitsdetektorzone 3 wird mit einem elektrischen Sensor 6 bestimmt. Somit kann erfindungsgemäß durch die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Leitfähigkeitsdetektorzone 3 eine Bindung von Antigenen 7 an Bindemoleküle 5 bestimmt werden.
Obwohl lediglich eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedenste Änderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden. Die genannte Ausführungsform ist lediglich ein Beispiel und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration des Federelements in irgendeiner Weise zu beschränken.
Bezugszeichenliste

1: Federelement
2: Grundkörper
3: Leitfähigkeitsdetektorzone
4: Bindungszone
5: Bindemolekül
6: elektrischer Sensor
7: virale Antigene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/088018 A1 [0004, 0009, 0032]
US 4426768 [0009]
US 4510178 [0009]
US 7963171 B2 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Corman VM, Landt O, Kaiser M, et al. Detection of 2019 novel coronavirus (2019-nCoV) by real-time RT-PCR. Euro Surveill. 2020 [0002]
Li Z, Yi Y, Luo X, et al. Development and Clinical Application of A Rapid IgM-IgG Combined Antibody Test for SARS-CoV-2 Infection Diagnosis [published online ahead of print, 2020 Feb 27]. J Med Virol. 2020 [0003]

Claims

Miniaturisiertes Federelement (1) umfassend einem biegbaren Grundkörper (2), der eine Leitfähigkeitsdetektorzone (3) und eine Bindungszone (4) aufweist, wobei die Leitfähigkeit der Leitfähigkeitsdetektorzone (3) durch elektronische Tunnel-, lonisations- oder Hoppingprozesse bestimmt ist, und wobei die Leitfähigkeitsdetektorzone (3) aus in einer Matrix eingebetteten Nanopartikeln mit im Vergleich zum Matrixmaterial höherer elektrischer Leitfähigkeit gebildet ist, und wobei die Bindungszone (4) mindestens ein spezifisch an virale Antigene bindendes Bindemolekül (5) umfasst, welches an den Grundkörper gekoppelt ist.
Federelement nach Anspruch 1, wobei das Bindemolekül (5) mindestens ein Antikörper oder Antikörperfragment ist.
Federelement nach Ansprüchen 1 oder 2, wobei das Bindemolekül (5) mindestens spezifisch an virale Antigene von Coronaviren, insbesondere Antigene des SARS-CoV-2 Virus bindet.
Federelement nach Anspruch 3, wobei das Antigen ein Antigen ist, welches im Spikeprotein, Hüllprotein, Membranprotein oder Nukleokapsidprotein, bevorzugt im Spikeprotein des SARS-CoV-2 Virus enthalten ist.
Federelement nach einem der Ansprüche 2-4, wobei der Antikörper mittels Avidin/Streptaviding-Bindung an den Grundkörper gekoppelt ist.
Federelement nach einem der Ansprüche 2-5, wobei der Antikörper ein in der Fc-Domäne biotinylierter Antikörper ist.
Federelement nach einem der Ansprüche 1-4, wobei das Bindemolekül (5) kovalent an den Grundkörper gekoppelt ist.
Federelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nanopartikel metallisch sind.
Federelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nanopartikel Au, Pt oder Cr Nanopartikel sind.
Federelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrix aus organischem, anorganischem oder dielektrischem Material gebildet ist.
Federelement nach den vorhergehenden Ansprüche, wobei das Federelement (1) so konfiguriert ist, dass eine Bindung von viralen Antigenen an das Bindemolekül (5) der Bindungszone (4) eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit in der Leitfähigkeitsdetektorzone (3) des Federelements (1) bewirkt.
Federelement nach den vorhergehenden Ansprüche, wobei das Federelement (1) so konfiguriert ist, dass eine Bindung von viralen Antigenen an das Bindemolekül (5) der Bindungszone (4) eine Änderung der Oberflächenspannung der Bindungszone (4) bewirkt und die Änderung der Oberflächenspannung der Bindungszone (4) ein Biegen des Federelements (1) bewirkt.
Vorrichtung zur Detektion von Viren umfassend mindestens ein Federelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einen elektrischen Sensor (6) zur Bestimmung der Leitfähigkeit der Leitfähigkeitsdetektorzone (3) des Federelements (1) und einen Komparator.
Vorrichtung zur Detektion von Viren in Form eines mikrofluidischen Chips umfassend: i) einen Bereich welcher zur Aufnahme eines flüssigen Mediums konfiguriert ist, ii) mindestens einen Mikrofluidkanal, welcher so konfiguriert ist, dass dieser das flüssige Medium in mindestens eine Messkammer leitet; iii) mindestens eine Messkammer umfassend mindestens ein erstes Federelement nach Ansprüchen 1 bis 12 und ein zweites Federelement, welches mindestens keine Bindemoleküle umfasst; iv) elektrische Kontakte welche mit den Leitfähigkeitsdetektorzonen des ersten und zweiten Federelements verbunden sind.
Verfahren zur Detektion von Viren umfassend das Inkontaktbringen einer Probe enthaltend ein Virus mit einem Federelement nach einem der Ansprüche 1-12.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Probe eine menschliche oder tierische Körperflüssigkeit, Körperausscheidung oder Zelle umfasst.
Federelement oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-14 zur Verwendung in einem Verfahren zur Diagnose der Infektion eines Individuums mit einem Virus.
Federelement oder Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Verfahren mindestens den Schritt des Inkontaktbringens einer Probe enthaltend eine Körperflüssigkeit oder eine Zelle des Individuums mit dem Federelement umfasst.