Принципы работы медицинских экспресс-тестов

Пандемия COVID-19 показала всему миру важность и необходимость отслеживания контактов между людьми. Информация об источнике и времени заражения и своевременная диагностика инфицированных позволяют сдержать взрывное распространение вирусной инфекции. В отсутствие таких сведений власти большинства стран мира были вынуждены вводить жесткие ограничения и локдауны, результатом которых стали серьезные социальные потрясения и глобальное сокращение экономики.

Экспресс-тесты позволяют быстро проводить диагностику и выявлять носителей инфекции в критически важных сферах жизни общества, работу которых невозможно остановить или перевести на удаленный режим. Прежде всего это здравоохранение и доставка продуктов питания. Кроме того, наличие недорогих тестов позволяет людям проводить самодиагностику, а в случае обнаружения инфекции самостоятельно изолироваться от окружающих. Это существенно помогает замедлить распространение вируса. Широкомасштабное тестирование в Южной Корее и Германии позволило успешно снизить темпы распространения болезни во всех сферах общественной жизни (Ref. 1).

В основе одного из вариантов экспресс-тестирования на заражение вирусом COVID-19 лежит латеральный проточный анализ (LFA), который также называется латеральным проточным иммуноанализом (LFIA) или иммунохроматографическим тестом. Стандартный тест на беременность, который можно купить в любом супермаркете — это один из наиболее известных примеров использования LFA. Метод LFA используется во многих недорогих, относительно надежных, устойчивых и простых в использовании тестов на различные заболевания и состояния. (Ref. 2).

В этой серии публикаций мы расскажем об использовании среды численного моделирования COMSOL Multiphysics® для анализа работы LFA-устройств и перечислим сложности, с которыми может столкнуться инженер при проектировании таких экспресс-тестов.

Принцип работы экспресс-теста LFA

Если внимательно изучить принципы, на которых основана работа экспресс-тестов, можно увидеть, что по сути эти маленькие устройства представляют собой довольно сложные и при этом очень надежные микролаборатории.

Схема устройства экспресс-теста. Толщина мембран и впитывающих полосок на рисунке увеличена в 5 раз для наглядности. Узел, содержащий впитывающие полоски и мембрану, называют тестовой кассетой.

Экспресс-тест состоит из следующих элементов (показаны на рисунке выше):

• Углубление для ввода образца
• Впитывающая полоска для биоматериала
• Полоска конъюгации
• Мембрана
• Адсорбирующая полоска или «фитиль»

Узел, содержащий впитывающий материал и мембрану, частно называют тестовой кассетой. Тест-кассета защищена пластиковым корпусом (Ref. 3).

Впитывающие полоски и мембрана выполнены из пористого материала, который смачивается биожидкостью образца. Тестируемый биоматериал может быть приготовлен заранее, или сформирован во впитывающей полоске для биоматериала. Обычно его получают, смешивая кровь или слюну с буферным раствором, который содержит специфичные антигены и другие химические вещества, например, растворитель, обеспечивающий смачиваемость пористых компонентов теста образцом биоматериала.

Капли образца наносятся на впитывающую полоску для биоматериала, которая распределяет жидкость, а также играет роль фильтра. Очень крупные белки и клетки крови задерживаются в пористой структуре впитывающей полоски, которая обеспечивает равномерное распределение жидкости по ширине полоски. После того, как образец заполнит поры впитывающей полоски для биоматериала, жидкость под действием капиллярных сил начнёт просачиваться в полоску конъюгации.

В полоске конъюгации отфильтрованный образец растворяет нанесённые на полоску реагенты, так называемые метки. В качестве таких меток обычно используются антигены, прикрепленные к поверхности, например, золотых наночастиц. Антиген — это белок, который вызывает иммунный ответ в виде образования антител. Метки присоединяются к антителам в образце, образуя комплекс, который растворяется в жидкости образца. Такие комплексы содержат метки, прикрепленные к антителам пациента, и метки, прикрепленные к специфичным антителам, которые смешиваются с образцом во время подготовки. Когда поры полоски конъюгации заполнены, образец под действием капиллярных сил просачивается в мембрану.

Мембрана обычно изготавливается из пористой нитроцеллюлозы, но иногда используются и другие материалы. Различные белки и химические вещества могут взаимодействовать с материалом пористой мембраны. Некоторые вещества адсорбируются и десорбируются на стенках пор. В результате в зависимости от размера молекул и их сродства к взаимодействию с поверхностью пор происходит разделение веществ в капиллярном потоке. Этот процесс и называется «иммунохроматография».

На этом рисунке показан момент, когда образец жидкости просочился в мембрану. В увеличенном масштабе показана квадратная область со стороной около 1 мкм. Средний диаметр пор около 0.5 мкм. Для сравнения, толщина мембраны 125 мкм (Ref. 3). Жидкий образец показан светло-голубым цветом. Мембрана представляет собой пористую структуру, при этом объёмная доля пор составляет 70%. Жидкость смачивает стенки пористой структуры и под действием капиллярных сил движется в направлении синих стрелок в заполненные воздухом поры. Отметим, что толщина тест-полоски на этом рисунке увеличена в 5 раз для наглядности.

Как только образец вступает в контакт с тестовой полоской, один из комплексов присоединяется к поверхности специфического антитела, которое неподвижно располагается на тестовой полоске. Разные тестовые полоски адсорбируют разные комплексы. Отметим, что поверхностные компоненты неподвижны на тестовой полоске; они не растворяются и не переносятся образцом жидкости. Как только комплекс прикрепился к тестовой полоске, её цвет изменяется. Цвет показывает, что определённый комплекс специфического антитела прикрепился к конкретной тестовой полоске.

Последняя полоска в мембране является контрольной. Контрольная полоска должна обязательно обнаружить присутствие комплекса контрольного антитела с конъюгирующим реагентом, поскольку контрольное антитело всегда примешивается к образцу. Если контрольная полоска не отреагировала на этот комплекс, значит образец прошел через тестовую полоску неправильно. В таком случае результат экспресс-теста является недействительным.

Чтобы образец прошел через мембрану, за мембраной имеется адсорбирующая полоска, действующая как фитиль. Она поглощает образец, обеспечивая, таким образом, просачивание через все остальные полоски тестовой кассеты. Процесс идёт до тех пор, пока поры адсорбирующей полоски не заполнятся образцом.

Предварительный просмотр модели

В следующей части этой серии публикаций мы покажем две модели LFA-устройства. Эти модели позволяют обнаружить некоторые особенности, которые ученые наблюдают в экспериментах с экспресс-тестами, в частности, зависимость скорости течения от степени заполнения пор жидкостью. Продолжение следует!

Распространение жидкого образца в тестовой полоске. Моделирование показывает, что профиль скорости жидкости становится однородным, когда образец просачивается примерно до одной трети полоски конъюгации.

Список литературы

1. T. Kilic, R. Weissleder, and H. Lee, “Molecular and Immunological Diagnostic Tests of COVID-19: Current Status and Challenges”, iScience, vol. 23, no. 101406, 2020, (https://www.cell.com/iscience/pdf/S2589-0042(20)30596-4.pdf).
2. B.G. Andryukov, “Six decades of lateral flow immunoassay: from determining metabolic markers to diagnosing COVID-19”, AIMS Microbiology, vol. 6, no. 3, pp. 280–304, 2020, (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33134745/).
3. “Rapid Lateral Flow Test Strips, Considerations for Product Development”, Merck Millipore, 2013 EMD Millipore Corporation, Billerica, MA, USA.