Affinity Sensors for the Diagnosis of COVID-19

The coronavirus disease 2019 (COVID-19) outbreak caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) was proclaimed a global pandemic in March 2020. Reducing the dissemination rate, in particular by tracking the infected people and their contacts, is the main instrument against infection spreading. Therefore, the creation and implementation of fast, reliable and responsive methods suitable for the diagnosis of COVID-19 are required. These needs can be fulfilled using affinity sensors, which differ in applied detection methods and markers that are generating analytical signals. Recently, nucleic acid hybridization, antigen-antibody interaction, and change of reactive oxygen species (ROS) level are mostly used for the generation of analytical signals, which can be accurately measured by electrochemical, optical, surface plasmon resonance, field-effect transistors, and some other methods and transducers. Electrochemical biosensors are the most consistent with the general trend towards, acceleration, and simplification of the bioanalytical process. These biosensors mostly are based on the determination of antigen-antibody interaction and are robust, sensitive, accurate, and sometimes enable label-free detection of an analyte. Along with the specification of biosensors, we also provide a brief overview of generally used testing techniques, and the description of the structure, life cycle and immune host response to SARS-CoV-2, and some deeper details of analytical signal detection principles

Photoluminescent Detection of Human T-Lymphoblastic Cells by ZnO Nanorods

The precise detection of cancer cells currently remains a global challenge. One-dimensional (1D) semiconductor nanostructures (e.g., ZnO nanorods) have attracted attention due to their potential use in cancer biosensors. In the current study, it was demonstrated that the possibility of a photoluminescent detection of human leukemic T-cells by using a zinc oxide nanorods (ZnO NRs) platform. Monoclonal antibodies (MABs) anti-CD5 against a cluster of differentiation (CD) proteins on the pathologic cell surface have been used as a bioselective layer on the ZnO surface. The optimal concentration of the protein anti-CD5 to form an effective bioselective layer on the ZnO NRs surface was selected. The novel biosensing platforms based on glass/ZnO NRs/anti-CD5 were tested towards the human T-lymphoblast cell line MOLT-4 derived from patients with acute lymphoblastic leukemia. The control tests towards MOLT-4 cells were performed by using the glass/ZnO NRs/anti-IgG2a system as a negative control. It was shown that the photoluminescence signal of the glass/ZnO NRs/anti-CD5 system increased after adsorption of T-lymphoblast MOLT-4 cells on the biosensor surface. The increase in the ZnO NRs photoluminescence intensity correlated with the number of CD5-positive MOLT-4 cells in the investigated population (controlled by using flow cytometry). Perspectives of the developed ZnO platforms as an efficient cancer cell biosensor were discussed

Determination of rSpike Protein by Specific Antibodies with Screen-Printed Carbon Electrode Modified by Electrodeposited Gold Nanostructures

In this research, we assessed the applicability of electrochemical sensing techniques for detecting specific antibodies against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike proteins in the blood serum of patient samples following coronavirus disease 2019 (COVID-19). Herein, screen-printed carbon electrodes (SPCE) with electrodeposited gold nanostructures (AuNS) were modified with L-Cysteine for further covalent immobilization of recombinant SARS-CoV-2 spike proteins (rSpike). The affinity interactions of the rSpike protein with specific antibodies against this protein (anti-rSpike) were assessed using cyclic voltammetry (CV) and differential pulse voltammetry (DPV) methods. It was revealed that the SPCE electroactive surface area increased from 1.49 ± 0.02 cm2 to 1.82 ± 0.01 cm2 when AuNS were electrodeposited, and the value of the heterogeneous electron transfer rate constant (k0) changed from 6.30 × 10−5 to 14.56 × 10−5. The performance of the developed electrochemical immunosensor was evaluated by calculating the limit of detection and limit of quantification, giving values of 0.27 nM and 0.81 nM for CV and 0.14 nM and 0.42 nM for DPV. Furthermore, a specificity test was performed with a solution of antibodies against bovine serum albumin as the control aliquot, which was used to assess nonspecific binding, and this evaluation revealed that the developed rSpike-based sensor exhibits low nonspecific binding towards anti-rSpike antibodies

Influence of PDA Coating on the Structural, Optical and Surface Properties of ZnO Nanostructures

Polydopamine (PDA) is a new biocompatible material, which has prospects in biomedical and sensor applications. Due to functional groups, it can host wide range of biomolecules. ZnO nanostructures are well known templates for optical sensors and biosensors. The combination of ZnO and PDA results in a change of optical properties of ZnO–PDA composites as a shift of photoluminescence (PL) peaks and PL quenching. However, to date, the effect of the PDA layer on fundamental properties of ZnO–PDA nanostructures has not been studied. The presented paper reports on optical and surface properties of novel ZnO–PDA nanocomposites. PDA layers were chemically synthesized on ZnO nanostructures from different solution concentrations of 0.3, 0.4, 0.5 and 0.7 mg/mL. Structure, electronic and optical properties were studied by SEM, Raman, FTIR, diffuse reflectance and photoluminescence methods. The Z-potential of the samples was evaluated in neutral pH (pH = 7.2). The response of the samples towards poly-l-lysine adsorption, as a model molecule, was studied by PL spectroscopy to evaluate the correlation between optical and surface properties. The role of the PDA concentration on fundamental properties was discussed

Ефективність протимікробної дії нанокомпозитних комплексів (хітозан-нанометали) відносно полірезистентних клінічних ізолятів

Під час виконання НДР здійснено синтез наночасточок срібла, міді, та оксиду цинку із застосуванням різних видів синтезу та різних стабілізуючих компонентіві вивчено їх фізико-хімічні властивості. Встановлено режими, які дозволяють отримати частинки із контрольованим розміром та дисперсністю у розчині, та відібрано найкращі зразки для подальших досліджень. Створено комплекси хітозан-нанометалита досліджено фізико-хімічних характеристики розчинів. Вивчено їх стабільність у часовому проміжку та за умов впливу фізичних факторів. Проведено модифікацію гелів хітозану із застосуванням методик крослінкінгу та використано електропрядіння для створення нановолокон із хітозану та хітозан-нанометали композитних матеріалів

Electrochemical Determination of Interaction between SARS-CoV-2 Spike Protein and Specific Antibodies

The serologic diagnosis of coronavirus disease 2019 (COVID-19) and the evaluation of vaccination effectiveness are identified by the presence of antibodies specific to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). In this paper, we present the electrochemical-based biosensing technique for the detection of antibodies specific to the SARS-CoV-2 proteins. Recombinant SARS-CoV-2 spike proteins (rSpike) were immobilised on the surface of a gold electrode modified by a self-assembled monolayer (SAM). This modified electrode was used as a sensitive element for the detection of polyclonal mouse antibodies against the rSpike (anti-rSpike). Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used to observe the formation of immunocomplexes while cyclic voltammetry (CV) was used for additional analysis of the surface modifications. It was revealed that the impedimetric method and the elaborate experimental conditions are appropriate for the further development of electrochemical biosensors for the serological diagnosis of COVID-19 and/or the confirmation of successful vaccination against SARS-CoV-2

Біологічна ефективність застосування плазмової електрооксидаціі та золь-гель депозиції для створення функціональної поверхні імплантів

Предмет дослідження – вивчення функціоналізованої поверхні імплантатів, які отримані із застосуванням плазмової електрооксидації і та плазмової електрооксидації і встановлення механізмів взаємодії поверхні з клітинами остеобластичного диферону

Розробка передумов генерації упорядкованих та рандомноорієнтованих 2D-матриць із електропровідного/природного полімерного розчину (поліпірол, поліанілін/хітозан, колаген) у комбінації з фібриновим біогелем

Об’єкт дослідження – особливості антибактеріального впливу мембран із природного полімеру хітозану (Сh), виготовлених методом електропрядіння (електроспінінгу), та їх біосумісності в залежності від кількості інкорпорованих наночастинок срібла (AgNPs). Предмет дослідження – вивчення функціональних та біологічних характеристик антимікробних нановолокнистих мембран хітозану виготовлених методом електропрядіння та навантажених наночастинками срібла. В результаті виконання роботи доведено, що отримані мембрани на основі Ch з AgNPs є перспективним матеріалом для тканинної інженерії з відповідною біосумісністю і високою антимікробною здатністю після нейтралізації лугом, мають відповідний режим деградації, а також можуть в подальшому бути використанні в біоінженерії та медицині

Ефективність протимікробної дії нанокомпозитних комплексів (хітозан-нанометали) відносно полірезистентних клінічних ізолятів

Об’єкт дослідження – антибіотикорезистентність та антибактеріальні властивості. Предмет дослідження – механізми антибактеріальної дії та ефективність нанокомпозитних комплексів (хітозан-нанометали) відносно полірезистентних штамів мікроорганізмів

Біологічна ефективність застосування плазмової електрооксидаціі та золь-гель депозиції для створення функціональної поверхні імплантів

Об’єкт дослідження – процеси остеоінтеграція металевих імплантатів. Предмет дослідження – вивчення функціоналізованої поверхні імплантатів, які отримані із застосуванням плазмової електрооксидації і та плазмової електрооксидації і встановлення механізмів взаємодії поверхні з клітинами остеобластичного диферону. В ході виконання проекту авторами була вдосконалена методика плазмової електрооксидації поверхні металевих імплантатів з використанням принципово нових розчинів, зокрема Ca(HCOO)2, Mg(CH3COO)2, H3PO4 з додаванням НА та наночасточок оксидів металів. Вперше були розроблені нові режими оксидації поверхні титан-цирконієвого сплаву з врахуванням сили току, його щільності та часу процесу, виявлені максимальні точки утворення оксидної плівки та залежність топографії поверхні від параметрів процесу оксидації. Встановлено, що протокол електрооксидації при напрузі 500 В і густині струму 150 мА/см-2 (для протоколів з EDTA) може бути оптимальним для отримання поверхневих шарів з високим вмістом фосфатів, а отже, і з високою схильністю до осеоінтеграції. Доведено, що кальцій-фосфатні покриття дозволяють збільшити активність остеогенних клітин, що виявляється у зростанні депозиції кальцію та стимуляції синтезу колагену. Додавання срібла в покриття не призводить до стимулювання проліферації клітин, проте характеризується зростанням синтезу колагену на 2-3 тиждень. Одержані у роботі дані щодо механізмів формування кальцій-фосфатного покриття імплантатів та біологічної відповіді на різний склад поверхні можуть бути використані у подальших прикладних дослідженнях для створення нових класів дентальних імплантатів для ортопедії та стоматології