Sneller testen op moleculen met magnetische deeltjes

COVID-19 kent geen grenzen en heeft zich als een lopend vuurtje over de hele wereld verspreid. Hoewel maatschappelijke beperkingen, zoals lockdowns, de verspreiding kunnen beperken, blijft de behoefte aan snelle diagnostische testen bestaan.

"Met snelle tests kun je besmette personen snel op het spoor komen, zonder dat de monsters eerst naar het lab moeten. Dit betekent dat patiënten meteen kunnen worden behandeld", zegt Sophia Shanko, promovenda in de Microsystems onderzoeksgroep onder begeleiding van Jaap den Toonder. "Daarnaast kunnen lokale autoriteiten de informatie gebruiken om zonodig extra beperkende maatregelen op te leggen. Dergelijke tests zijn er niet alleen voor COVID-19, ze kunnen in de toekomst ook worden gebruikt om te testen op andere virusinfecties."

Lab-on-chip

Veel nieuwe en innovatieve testapparaten maken gebruik van lab-on-chip-technologie. Deze apparaten hebben talrijke voordelen, zoals een breed toepassingsgebied, kleine afmetingen en snelle analysemogelijkheden. In deze apparaten wordt een monster (zoals bloed) dat moet worden getest op een doelmolecuul (zoals een antilichaam dat de aanwezigheid van een virus signaleert), gemengd met een vloeistof die detectiemoleculen bevat die aan het doelmolecuul kunnen binden. Als het doelmolecuul aanwezig is, genereert binding met het detectiemolecuul een signaal, zoals licht.

"Het bindingsproces in deze apparaten moet snel en nauwkeurig zijn. Dat kan je bereiken door ervoor te zorgen dat de detectiemoleculen zo snel mogelijk met het testmonster mengen", zegt Shanko, die in 2020 FameLab TU/e won door te vertellen over haar promotieonderzoek. "Door de zeer kleine afmetingen van lab-on-chip technologieën is mengen alleen mogelijk door moleculaire diffusie, de inherente beweging van moleculen binnen een vloeistof als gevolg van temperatuur- en concentratieverschillen. Dit is echter een tijdrovend proces."

Zwermen

De nadelige effecten van langzame moleculaire diffusie kun je op twee manier gedeeltelijk opheffen: passief of actief. Bij de eerste methode worden geometrische structuren in het testapparaat aangebracht, terwijl bij de tweede methode externe krachten, zoals magnetische velden, worden gebruikt om de stroming op gecontroleerde wijze te veranderen. Vooral de laatste methode blijkt erg geschikt om hoge en gecontroleerde mengcapaciteiten te realiseren tegen een relatief lage kostprijs.

In haar onderzoek maakte Shanko gebruik van magnetische krachten om de moleculaire diffusie te versnellen, en zo de kans op optimale binding van doelmoleculen te vergroten. "Het mengen van magnetische deeltjes (of microkorrels) met de testmonsters en detectormoleculen heeft tal van voordelen. We kunnen de beweging van deze deeltjes controleren met behulp van externe magnetische velden, en van cruciaal belang is dat deze deeltjes de detectieprestaties niet nadelig beïnvloeden."

De sterkte en de frequentie van het externe magneetveld zijn bepalend voor de manier  waarop de microkorrels in de vloeistof bewegen, wat op zijn beurt de menging beïnvloedt. "Er is een 'sweet spot' voor de parameters die het magnetisch veld regelen, waar de microlkorrels bewegen in patronen die lijken op het zwermen van vogels. Het mengen van de korrels met het testmonster leidt dan tot een snellere binding tussen het antilichaam en de detectiemoleculen, en dus een sneller testresultaat."

Paddestoelen en microklepjes

Het zwermen van microkorrels is een voorbeeld van dynamische menging, maar Shanko heeft ook gekeken naar statische menging, waarbij de magnetische parels worden aangestuurd door externe statische magnetische structuren in de vorm van een paddestoel. Het is wetenschappelijk zeer interessant om te zien hoe de magnetische bolletjes zich gedragen en om de vloeistofbewegingen te observeren die zij op hun beurt veroorzaken. "Hoewel de paddestoelvormige structuren zeer hoge vloeistofsnelheden kunnen genereren die een efficiënte menging zouden kunnen veroorzaken, hebben zij uiteindelijk een negatieve invloed op het totale mengproces."

Tot slot keek Shanko naar de opname van magnetische klepjes, die aan de lab-on-chip-apparaten waren bevestigd en die worden aangestuurd met behulp van een extern magnetische veld. "De microklepjes verbeteren inderdaad het mengen van de detectiemoleculen in het monster, maar verdere experimenten zijn nodig om hun effect beter te begrijpen."

Toepassingen en de toekomst

Nu COVID-19 de wereld nog steeds stevig in zijn greep houdt, zullen nauwkeurige diagnostische tests voor het virus nog wel even nodig zijn. "De pandemie heeft ons laten zien dat er behoefte is aan snelle en effectieve diagnostische tests. Uit mijn onderzoek blijkt dat de detectie van antilichamen in lab-on-chip-apparaten kan worden versneld door het gebruik van magnetische microkorrels en externe magnetische velden. Deze technologie is nodig voor de toekomst om ons te helpen de aanwezigheid en verspreiding van uitbraken in de toekomst beter te monitoren."

Voor deze winnares van FameLab TU/e is de volgende stap de ontwikkeling van haar eigen diagnostische start-up. Shanko: "Ik ben erg blij met het resultaat van mijn promotieonderzoek dat wordt vertaald in verschillende wetenschappelijke artikelen. Het is geweldig om te zien dat micromenging met magnetische korrels de potentie heeft voor snelle en zeer nauwkeurige diagnostiek. Hoewel mijn promotietraject ten einde loopt, staat mijn liefde voor diagnostiek nog maar aan het begin".

Titel van doctoraalscriptie: Magnetic micromixing: For point of care diagnostics. Promotoren: Jaap den Toonder (TU/e), Patrick Anderson (TU/e) en Yoeri van de Burgt (TU/e).