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Development of a real-time biosensing system of SARS-CoV-2 to improve healthcare workers safety during COVID 19 pandemics

English title Development of a real-time biosensing system of SARS-CoV-2 to improve healthcare workers safety during COVID 19 pandemics
Applicant Zingg Walter
Number 198258
Funding scheme NRP 78 Covid-19
Research institution Klinik für Infektionskrankheiten und Spitalhygiene Universitätsspital Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Infectious Diseases
Start/End 01.09.2020 - 31.08.2022
Approved amount 790'232.00
Show all

All Disciplines (2)

Discipline
Infectious Diseases
Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy

Keywords (9)

SARS-CoV-2; COVID-19; Acute care hospital; Transmission; Mask; Personal protective equipment; Healthcare-associated infection; Infection; Aerosol

Lay Summary (German)

Lead
Für das Gesundheitspersonal ist das Risiko, sich über Tröpfchen und Aerosole mit SARS-CoV-2 anzustecken, besonders hoch. Bisher wurde noch in keiner Studie mit einer Kombination von klinischem Versuch und technologischer Virusdetektion analysiert, ob das Expositionsrisiko davon abhängt, wie Gesichtsmasken bei der Betreuung von COVID-19-Patienten verwendet werden.
Lay summary

Hintergrund

Aktuelle Daten zur COVID-19-Pandemie weisen darauf hin, dass für das Gesundheitspersonal ein erhöhtes Risiko besteht, sich mit SARS-CoV-2 zu infizieren, insbesondere ohne geeignete persönliche Schutzausrüstung. Ob wirklich ein Risiko für eine Übertragung von SARS-CoV-2 durch die Umwelt besteht und wie wichtig eine «geeignete» persönliche Schutzausrüstung in einem solchen Umfeld ist, wird aber weiterhin diskutiert. Bisher wurden weder eine Echtzeit-Detektion von SARS-CoV-2 noch ein direkter Vergleich von persönlichen Schutzausrüstungen während der Pflege von COVID-19-Patienten durchgeführt.

Forschungsziele

Mit diesem Projekt werden wir einen neuen Biosensor validieren, der eine bessere Detektion und ein kontinuierliches Monitoring von SARS-CoV-2 in Tröpfchen oder Aerosolen in Räumen mit COVID-19-Patienten bietet. Parallel dazu wird mit modernsten klinischen Versuchsmethoden der Nutzen untersucht, den chirurgische Masken im Vergleich zu den von der Weltgesundheitsorganisation empfohlenen FFP-Masken bei der Betreuung von COVID-19 Patienten bieten.

Erwartete Ergebnisse und Produkte

Das Echtzeit-Detektionssystem mit integrierter Aerosol-Probennahme, Mikroprozessorsystem und LSPR-Biosensor (localized surface plasmon resonance) wird in ein mobiles Miniatursystem integriert, das eine genaue Detektion, Abgrenzung und Identifikation des Virus ermöglicht. Der Biosensor wird die Freisetzung von SARS-CoV-2 in die Luft messen. Daraus wird die Viruskonzentration berechnet, die in Räumen mit COVID-19-Patienten in der Luft in unterschiedlicher Entfernung vom Patienten vorhanden ist, womit sich die Virusexposition für das Gesundheitspersonal einfacher schätzen lässt. Mit dem Cluster-randomisierten Versuch werden die Ergebnisse des Biosensors genutzt, um daraus klinische Erkenntnisse zur Wahl der richtigen Maskenstrategie abzuleiten. Wir erwarten, dass ein selektives Tragen von FFP2-Masken (Filtering Face Piece 2) keine schlechteren Ergebnisse zeigt als das konsequente Tragen von FFP2-Masken.

Beitrag zur Bewältigung der aktuellen Pandemie

Mit diesem Projekt wird eine alternative, zuverlässige Methode für die klinische Diagnose und ein wichtiges Tool für das Monitoring der Übertragung von SARS-CoV-2 bereitgestellt. Das Echtzeit-Detektionssystem wird mit Fakten zur Debatte darüber beitragen, welche Rolle Tröpfchen und Aerosole bei der Übertragung von SARS-CoV-2 spielen und welchen Risiken das Gesundheitspersonal ausgesetzt ist. Die Kombination von Biosensor-Daten mit klinischen Ergebnissen dürfte die Praxis in den Spitälern verbessern, sowohl beim Schutz des Gesundheitspersonals als bei der Reduktion des Risikos für eine SARS-CoV-2-Infektion während der Patientenbetreuung.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2021

Lay Summary (French)

Lead
Soignants qui s’en occupent des patients atteints du COVID-19 sont à risque d'infection par le SARS-CoV-2 dans les gouttelettes et aérosols. À ce jour, aucune étude n'a combiné la technologie de détection de virus avec un essai clinique pour évaluer le risque d'exposition en fonction de l'utilisation appropriée du type de masque pendant les soins du COVID-19.
Lay summary

Contexte

Les données récentes sur la pandémie de COVID-19 suggèrent que le personnel de santé est à risque d’infection par le SARS-CoV-2, en particulier s’il n’est pas équipé de protection personnelle adéquate. Toutefois, le risque de transmission par l’environnement, ainsi que le caractère adéquat ou non de l’équipement personnel de protection dans ce type de contexte, font encore l’objet de débats. A ce jour, ni la détection en temps réel du SARS-CoV-2, ni la comparaison directe des équipements de protection des soignants de patients COVID-19 n’ont été effectuées.

Objectifs de recherche

Dans le cadre de ce projet, nous validerons un nouveau biosenseur pour améliorer la détection et le monitoring constant du SARS-CoV-2 dans les gouttelettes ou les aérosols dans les chambres des patients COVID-19. Parallèlement, un essai clinique de pointe évaluera les avantages du port du masque chirurgical comparé au port du masque de protection respiratoire dans le contexte des soins aux patients COVID-19, tel que le recommande l’OMS.

Résultats et produits envisagés

Le système de détection en temps réel, intégrant un échantillonneur d’aérosols, un micro-processeur et un biosenseur LSPR (localized surface plasmon resonance), sera miniaturisé en un appareil portable et permettra la détection, la différenciation et l’identification précises du virus. Le biosenseur quantifiera l’excrétion virale dans l’air. Cela permettra de connaître les concentrations atmosphériques de virus dans les chambres des patients COVID-19 et à différentes distances des patients, et d’estimer plus facilement l’exposition au virus du personnel. L’essai randomisé par grappes mettra en perspective clinique les données obtenues par le biosenseur, pour choisir la stratégie adéquate de port du masque. Nous attendons des résultats montrant que porter le masque de protection respiratoire FFP2 de manière sélective n’est pas moins efficace que de le porter en permanence.

Contribution à la lutte contre la pandémie actuelle

Ce projet fournira une méthode alternative et fiable pour le diagnostic clinique et un outil crucial pour le monitoring de la transmission du SARS-CoV-2. Le système de détection en temps réel apportera des données objectives au débat sur la contribution des gouttelettes et des aérosols à la transmission du SARS-CoV-2, et à l’évaluation du risque pour le personnel de santé. Combiner les données du biosenseur et les résultats cliniques devrait permettre d’améliorer les pratiques hospitalières de protection du personnel, et de réduire le risque d’infection nosocomiale par le SARS-CoV-2.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2021

Lay Summary (English)

Lead
Healthcare workers are at risk of SARS-CoV-2 infection by way of droplets and aerosols. To date, no study has combined virus detection technology with a clinical trial to assess the exposure risk as a function of appropriate facemask usage in COVID-19 patient care.
Lay summary

Background

Recent data on the COVID-19 pandemic suggest that healthcare workers are at risk of infection by SARS-CoV-2, particularly when they are not wearing adequate personal protective equipment. However, the risk of SARS-CoV-2 transmission by the environment and the “adequacy” of personal protective equipment in such a context is still the subject of debate. To date, neither real-time SARS-CoV-2 detection nor head-to-head comparison of personal protective equipment during COVID-19 patient care have been performed.

Research aims

In this project, we will validate a novel biosensor to improve detection and continuous monitoring of SARS-CoV-2 in droplets or aerosols in COVID-19 patient rooms. In parallel, a state-of-the-art clinical trial will evaluate the benefits of wearing surgical masks compared to filtering face piece masks during COVID-19 patient care, according to the present recommendations of the World Health Organization.

Expected results and envisaged products

The real-time sensing system with an integrated aerosol sampler, a micro-processing system and an LSPR (localised surface plasmon resonance) biosensor will be miniaturised into a portable system and will allow precise virus detection, discrimination and identification. The biosensor will quantify the shedding of SARS-CoV-2 in the air. The airborne virus concentrations in the COVID-19 patient rooms and at various distances from the patients will be derived, which will facilitate estimation of the viral exposure for the healthcare workers. The cluster-randomised trial will put the findings of the biosensor into a clinical perspective on selecting the appropriate masking strategy. We expect that selective filtering face piece 2 (FFP2) masking is not inferior to universal FFP2 masking.

Specific contribution to tackle the current pandemic

This project will provide an alternative and reliable method in clinical diagnosis and a critical tool for monitoring of SARS-CoV-2 transmission. The real-time detection system will contribute evidence to the debate on the role of droplets and aerosols in SARS-CoV-2 transmission, and to risk assessment for healthcare workers. It is hoped that combining biosensor data with clinical findings will drive improvements in hospital practice with regard to the protection of healthcare workers and reduce the risk of healthcare-associated SARS-CoV-2 infection.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Abstract

Recent results demonstrated an increased risk of COVID-19 infection among healthcare workers (HCW), particularly when access to personal protective equipment (PPE) was inadequate. During the COVID-19 pandemic, access to PPE has become complicated by a surge in worldwide demand combined with production limitations and logistical barriers. Since their introduction in hospitals in the 1990s, filtering facepiece (FFP) masks, mostly of the FFP2 type, are used by HCWs to protect themselves against bioaerosols due to tuberculosis, measles and selected respiratory viruses. The COVID-19 pandemic due to the novel SARS-CoV-2 has sparked debate around judicious and safe use of face masks for the protection of HCWs who provide direct care for COVID-19 patients. At the heart of the discussion is the question whether SARS-CoV-2 is transmitted by droplets or aerosols, or by both. While the former are large (>5µm) and fall rapidly to the ground, the latter are small (<5µm) and can stay in the air and travel much farther than the 1-2 metres normally considered a safe distance to infected patients. Today, we have little information on physical spread and infectious dose of SARS-CoV-2, and the discussion about the choice of face masks is based on indirect data. The starting hypothesis of this project is that decision-making regarding mask-wearing for HCW in the current situation of inadequate mask supply, coupled with uncertainty regarding airborne COVID-19 transmission, can be improved if direct detection of SARS-CoV-2 in aerosols can be implemented in clinical situations where aerosolisation is expected. This would be achieved by installing biosensors. Currently, the reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) technology is the most sensitive method for SARS-CoV-2 detection in respiratory secretions and it is routinely used to diagnose COVID-19. A reliable biosensing system that can detect SARS-CoV-2 rapidly, quantitatively and in real-time, supplementing RT-PCR technology would significantly help to understand SARS-CoV-2 transmission and inform recommendations for safe and practical use of PPE, and particularly face masks. In this project, we will validate a novel dual-functional, localized surface plasmon resonance (LSPR) biosensor to improve detection and on-line monitoring of SARS-CoV-2 in clinical settings. The two-dimensional gold nano-islands (AuNIs), functionalized with complementary DNA, can perform sensitive detection of selected sequences from SARS-CoV-2 through nucleic acid hybridization. For better sensing performance, the plasmonic photothermal effect, generated by the same AuNIs chip, and an additional laser irradiance can elevate the local temperature and facilitate the specific discrimination of two similar gene sequences. We aim to integrate a bioaerosol sampling system with a specific biosensor, to allow continuous real-time monitoring the shedding of SARS-CoV-2 virus in droplets or aerosols, aiming to rapidly and continuously collect airborne virus with a high collection efficiency and stable microbial recovery. The collected virus can be efficiently enriched in the sampling liquid and subsequently introduced into the integrated micro-system for virus lysis and nucleic acid extraction. This system is to be tested in clinical situations and with real COVID-19 patients with the aim to understand transmission of SARS-CoV-2 in patient surroundings. In parallel, a cluster-randomised, controlled, cross-over study will evaluate the benefits of wearing surgical masks vs. FFP2 masks during COVID-19 patient care (outside aerosol-generating procedures). To date, no study has combined virus detection technology with a cluster-randomised trial to address the question of appropriate face mask usage in COVID-19 care.
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