După experiențele din timpul pandemiei COVID-19, cercetătorii și-au intensificat eforturile pentru identificarea unor modalități de a monitoriza calitatea aerului din mediile interioare în timp real împotriva unor viruși; combinând progresele recente în tehnologia de prelevare a probelor de aerosoli cu o tehnică de biodetecție ultrasensibilă, cercetătorii de la Universitatea Washington din St. Louis au creat un dispozitiv care poate detecta oricare dintre variantele virusului SARS-CoV-2 dintr-o cameră în aproximativ… cinci minute.
Aflat încă în fază de concept, aparatul ar putea fi utilizat unități sanitare, școli, instituții sau locuri publice pentru a ajuta la detectarea rapidă atât a SARS-CoV-2 cât și a altor viruși precum gripa sau virusul sincițial respirator (RSV). Rezultatele muncii de cercetare în această privință, despre care autorii spun că ar fi cel mai sensibil detector disponibil descoperit până azi, sunt publicate în Nature Communications.
Mai performant decât testele clasice
Supravegherea în timp real a virusului SARS-CoV-2 din aer constituie o provocare tehnologică pentru comunitatea științifică încă de la începutul pandemiei COVID-19: tehnicile clasice de prelevare a probelor de aer pentru detectarea SARS-CoV-2 suferă timpi de răspuns mai lungi și necesită forță calificată de muncă.
În prezent nu există dispozitive automate de detectare a SARS-CoV-2 în timp real, disponibile în comerț, situație cauzată în principal de două lacune tehnologice: în primul rând este cerința unui prelevator eficient de aerosoli de virus cu flux mare care poate fi integrat într-un detector de viruși în timp real iar, în al doilea rând, de necesitatea unui protocol de detectare a virușilor care să fie rapid, precis și suficient de sensibil pentru a măsura concentrația virală scăzută din aerul ambiant.
În context, autorii studiului amintit, intenționează să obțină avizele de comercializare pentru un monitor privind calitatea aerului (pAQ) ce poate detecta în timp real, în doar cinci minute, aerosolii cu SARS-CoV-2:
„Sistemul integrează sinergic un prelevator de aer cu ciclon umed cu debit mare (~1000 lpm) și un biosenzor microimunoelectrod ultrasensibil pe bază de nanocorpi. Ciclonul umed a arătat performanțe comparabile sau mai bune de prelevare a probelor de virus decât probele disponibile comercial. Experimentele de laborator demonstrează o sensibilitate a dispozitivului de 77–83% și o limită de detecție de 7-35 copii ARN viral/m 3de aer. Monitorul nostru pAQ este potrivit pentru supravegherea punctului de nevoie a variantelor SARS-CoV-2 în medii interioare și poate fi adaptat pentru detectarea multiplexată a altor agenți patogeni respiratori de interes. Adoptarea pe scară largă a unei astfel de tehnologii ar putea ajuta instituțiile de sănătate publică să pună în aplicare măsuri rapide de control al bolilor” – menționează autorii.
„Dacă te afli într-o cameră cu 100 de persoane, nu vrei să afli cinci zile mai târziu dacă ai putea fi bolnav sau nu. Ideea cu acest aparat este că poți ști practic în timp real, sau la fiecare 5 minute, dacă există un virus viu” – a precizat John Cirrito, profesor de neurologie la Facultatea de Medicină din St. Louis.
Conceptul dispozitivului a fost realizat de o echipă multidisciplinară
Alături de Carla Yuede, profesor asociat de psihiatrie la aceeași instituție americană, cei doi au dezvoltat anterior un biosenzor micro-imunoelectrod (MIE) care detectează beta-amiloidul ca biomarker pentru boala Alzheimer și s-au întrebat dacă ar putea fi transformat într-un monitor pentru SARS-CoV-2; ei l-au contactat pe Rajan Chakrabarty de la Școala de Inginerie McKelvey care a constituit o echipă multidisciplinară din care făcea parte și Joseph Puthussery, cercetător asociat postdoctoral, cu experiență în construirea de instrumente pentru măsurarea toxicității aerului în timp real. Pentru a converti biosenzorul de la detectarea beta-amiloidă la coronavirus, cercetătorii au schimbat anticorpul care recunoaște beta-amiloid cu un nanocorp ce recunoaște proteina spike din virusul SARS-CoV-2.
David Brody, MD, Ph.D. – specialist neurolog și unul dintre autorii cercetării – a dezvoltat nanocorp în laboratorul sau de la National Institutes of Health (NIH); nanocorpul este mic, ușor de reprodus și modificat și ieftin de produs, au anunțat cercetătorii.
„Abordarea electrochimică bazată pe nanocorpi este mai rapidă la detectarea virusului, deoarece nu are nevoie de un reactiv sau de mulți pași de procesare.
SARS-CoV-2 se leagă de nanocorpii de la suprafață și putem induce oxidarea tirozinelor pe suprafața virusului folosind o tehnică numită voltametrie cu unde pătrate pentru a obține o măsurare a cantității de virus din probă” – a precizat Carla Yuede.
Chakrabarty și Puthussery au integrat biosenzorul într-un prelevator de aer care funcționează pe baza tehnologiei ciclonului umed: aerul intră în prelevator la viteze foarte mari și este amestecat centrifug cu fluidul care căptușește pereții prelevatorului pentru a crea un vortex de suprafață, prinzând astfel aerosolii de virus iar prelevatorul cu ciclon umed are o pompă automată care colectează fluidul și îl trimite la biosenzor pentru detectarea fără probleme a virusului prin electrochimie.
„Provocarea cu detectoarele de aerosoli din aer este că nivelul virusului din aerul din interior este atât de diluat încât chiar se împinge spre limita de detectare a reacției în lanț a polimerazei (PCR) și este ca și cum ai găsi un ac într-un car de fân. Recuperarea ridicată a virusului de către ciclonul umed poate fi atribuită debitului său extrem de ridicat care îi permite să preleveze un volum mai mare de aer pe o colectare de probe de 5 minute în comparație cu probele disponibile comercial” – a explicat Rajan Chakrabarty.
Echipa a testat monitorul în apartamentele a doi pacienți COVID-pozitivi
Majoritatea probelor comerciale de bioaerosoli funcționează la debite relativ scăzute, a spus Puthussery, în timp ce monitorul echipei are un debit de aproximativ 1.000 de litri pe minut, ceea ce îl face unul dintre dispozitivele cu cel mai mare debit disponibil.
De apreciat sunt și dimensiunile sale: monitorul este compact, de aproximativ 30,48 cm lățime și 24,5 cm înălțime, și se aprinde atunci când este detectat un virus, alertând administratorii să crească fluxul de aer sau circulația în cameră.
Rezultatele PCR în timp real ale probelor de aer din dormitoare au fost comparate cu probele de aer colectate dintr-o cameră de control fără viruși: astfel, dispozitivele au detectat ARN-ul virusului în probele de aer din camerele pacienților, dar nu au detectat niciunul în probele de aer de control. Mai mult, în experimentele de laborator, s-a aerosolizat SARS-CoV-2 într-o cameră unde ciclonul umed și biosenzorul au fost capabili să detecteze diferite niveluri de concentrații ale virusului în aer după doar câteva minute de prelevare.
„Începem cu SARS-CoV-2, dar există planuri pentru a măsura și gripa, RSV, rinovirusul și alți agenți patogeni de top care infectează oamenii în mod obișnuit.
Într-un spital, monitorul ar putea fi folosit pentru a măsura stafilococul sau streptococul, care cauzează tot felul de complicații pentru pacienți. Acest lucru ar putea avea într-adevăr un impact major asupra sănătății oamenilor” – a apreciat John Cirrito, professor de neurologie la Facultatea de Medicină din St. Louis, referindu-se la faptul că echipa lucrează în prezent la comercializarea monitorului de calitate a aerului.
