COVID-19 のパンデミックにより, 世界はコンタクトトレーシングの重要性を痛感しています. ウイルス感染の発生を封じ込めるためには, 誰が感染したか, いつどこで感染したかを知る必要があります. この知識の欠如により, 世界のほとんどの国が制限と封鎖を実施せざるを得なくなり, 深刻な社会的混乱と世界的な景気後退につながっています.
高速検出テストデバイスの開発により, ヘルスケアや食料供給など, 重要でシャットダウンできない社会の領域でのコンタクトトレーシングが可能になりました. 安価な検査へのアクセスにより, 人々は自己診断し, 感染した場合は自己隔離することもできます. これは, ウイルスの拡散を遅らせるのにも役立ちました. 韓国とドイツは社会のすべての分野で, パンデミックをより広範囲に遅らせるためにテストを使用することに成功しています (参考文献1).
COVID-19 の1つの可能な高速検出テストは LFIA または免疫クロマトグラフィーテストとも呼ばれる LFA に基づいています. スーパーマーケットで購入できる標準的な妊娠検査は, おそらく LFA の最もよく知られたアプリケーションです. LFA は多くの病気や状態に対して, 安価で, 比較的信頼性が高く, 堅牢で使いやすいテストを提供します (参考文献2).
この2部構成のブログシリーズでは, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを使用して, LFA デバイスの機能と, エンジニアがこれらのデバイスを設計するときに直面する可能性のある課題を理解します.
LFA 拘束検出テストのメカニズム
これらの高速検出テストの背後にあるメカニズムを見ると, それらは非常に高度でありながら, 非常に堅牢なマイクロラボであることがわかります.
高速検出試験装置の概略図. ここでは, 構造を示すために, メンブレインとパッドの厚さを5倍に誇張しています. パッドとメンブレインのアセンブリは, テストストリップと呼ばれます.
テストは以下の部品からなります (上図):
- サンプルパッド
- 共役パッド
- メンブレイン
- 吸収パッド (別名ウィックパッド)
さまざまな部品 (パッドとメンブレイン) のアセンブリはテストストリップと呼ばれることがよくあります. テストストリップはプラスチック製のハウジングで保護されています (参考文献3).
パッドとメンブレインは多孔質です. 細孔壁はサンプル液で濡れます. サンプルはテストストリップに適用する前に準備することも, サンプルパッドで準備することもできます. サンプルは血液または唾液を緩衝液と混合することによって得られます. 緩衝液には参照抗体や, サンプルがさまざまな部品の細孔壁を確実に濡らす溶媒などの他の化学物質が含まれている場合があります.
サンプルパッドは, サンプルの液滴を受け取り, 流れの分配とフィルターの役割を果たします. 非常に大きなタンパク質と血球がサンプルパッドの多孔質構造に閉じ込められています. さらに, 多孔質構造により, サンプル液がパッドの幅に沿って均一に分散されます. サンプルがサンプルパッドを満たすと, 接合パッドの方向に流れ続けます. 流れの推進力は毛細管力であり, これは液体と細孔壁との相互作用によって引き起こされます.
共役パッドでは, ろ過されたサンプルが製造中に共役パッドに塗布された試薬, いわゆる共役ラベルを溶解します. ラベルは通常, 例えば金ナノ粒子の表面に付着した抗原です. 抗原は免疫系で抗体を誘発するタンパク質である可能性があります. これらのラベルはサンプル中の抗体に付着し, 抗体と共役ラベルの複合体を形成する場合があります. 複合体はサンプル液に溶解します. それらは, 患者からの抗体に添付されたラベルと, 調製中にサンプル中で混合される参照抗体に添付されたラベルからなる場合があります. サンプルが共役パッドの細孔を埋めると, サンプルはメンブレインに続き, 再び毛細管力によって駆動されます.
サンプルはメンブレインを通過し続けます. メンブレインは通常多孔質のニトロセルロースでできていますが, 他の材料を使用することもできます. さまざまなタンパク質や化学種も, 多孔質膜の細孔壁と相互作用する可能性があります. 一部の種は細孔壁に吸着および脱着する可能性があります. この相互作用は化学種分子のサイズおよび細孔表面と相互作用するそれらの親和性に応じて, 流路に沿って異なる種を分離する傾向があります. この作用は免疫クロマトグラフィーという用語で呼ばれるものです.
この図ではサンプル液がメンブレインに到達したところです. 拡大図は一辺の長さが約1 µm の長方形を示しています. 平均細孔径は約0.5 µm です. 比較として, メンブレインの厚さは125 µm です (参考文献3). 液体サンプルは水色で表されます. 膜は骨格のような固体ネットワークで構成されており, 細孔が膜体積の70 ％ を占めています. サンプル液体は, 骨格構造の壁である細孔壁を濡らし, 毛細管力によって青い矢印の方向に空気で満たされた細孔に押し込まれます. この図のテストストリップの厚さは, わかりやすくするために5倍に誇張されていることに注意してください.
サンプルがテストラインと接触すると, 複合体の1つがそのテストラインの領域に存在する特定の表面種に付着する可能性があります. そのような表面種は試験ライン表面に固定化されている抗体でもあり得ます. 各テストラインは, 特定の複合体を吸着することができます. 表面種はテストライン領域で静止していることに注意してください. サンプルによって溶解も輸送もされません. 複合体がテストラインに吸着すると, テストラインの領域の色が変わります. 次に, 色は特定の抗体の特定の複合体が特定のテストラインに吸着していることを示します.
メンブレインの最後のテストラインは参照ラインです. 参照抗体は常にサンプルに混合されるため, 参照ラインは常に参照抗体と結合化学物質の複合体の存在を検出する必要があります. 参照ラインがこの複合体を検出しない場合, これはサンプルが正しい方法でテストストリップを通過していないことを意味します. その後, テストを破棄する必要があります.
サンプルがメンブレインを満たすと, ウィックとして機能する吸収パッドへの流れが続きます. 吸収パッドがサンプルを吸引し, この吸引により吸収パッドがサンプルで完全に満たされるまで, サンプルがテストストリップを通過します.
モデルのプレビュー
このシリーズの次のブログでは, LFA デバイスの2つのモデルが紹介されています. それらは, これらのテストの設計に取り組んでいる科学者によって実験的に観察されたいくつかの特徴を明らかにします. そのような特徴の中には, 流れが液体サンプルの細孔容積の飽和にどのように依存するかがあります. フォローアップをお楽しみに!
テストストリップでの液体サンプルの拡散. シミュレーションは, サンプルが共役パッドに約3分の1に達すると, 平坦な速度プロファイルを生成することを示しています.
参考文献
- 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).
- 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/).
- “Rapid Lateral Flow Test Strips, Considerations for Product Development”, Merck Millipore, 2013 EMD Millipore Corporation, Billerica, MA, USA.
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