Grandes epidemias, como el SARS, el zika y el ébola, y pandemias como la H1N1 y la COVID-19 se han apoderado del mundo en las últimas dos décadas. A medida que surgen brotes de enfermedades infecciosas con una regularidad cada vez mayor, se hace cada vez más evidente la necesidad de ampliar la capacidad de pruebas de vigilancia y diagnóstico viral para contener epidemias y prevenir pandemias. Investigadores liderados por dino di carlo y Sam Eminejad de la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA) ahora han desarrollado una prueba de diagnóstico viral portátil basada en un enjambre de imanes de tamaño milimétrico (denominados "ferrobots"). La tecnología podría aumentar significativamente el rendimiento de las pruebas de enfermedades, al tiempo que minimiza los costos y el uso de suministros escasos.
Describiendo el kit de laboratorio de diagnóstico en Naturaleza, los investigadores describen el principio de funcionamiento y la adaptabilidad de la plataforma para pruebas virales multiplexadas y agrupadas. También informan los resultados de un estudio clínico que utiliza muestras de personas con síntomas de COVID-19. La comparación de los resultados de la prueba usando el kit de laboratorio con las mismas muestras analizadas para COVID-19 usando el ensayo de reacción en cadena de la polimerasa con transcripción inversa (RT-PCR) estándar de oro reveló una sensibilidad de la prueba del 98 % y una especificidad del 100 %.
Superar la escasez de suministros y reducir los costos
Entre las opciones para las pruebas de vigilancia y diagnóstico viral, las pruebas de amplificación de ácidos nucleicos (NAAT) muestran claras ventajas sobre las pruebas basadas en antígenos y anticuerpos, en términos de sensibilidad, especificidad y la capacidad de provisión rápida sin generación previa de anticuerpos de diagnóstico específicos. Sin embargo, las plataformas de prueba anteriores basadas en NAAT no pudieron realizar los procesos integrados de manejo de líquidos, análisis y retroalimentación automática necesarios para lograr flujos de trabajo flexibles y maximizar la eficiencia de detección de enfermedades.
Para superar este déficit, los investigadores de la UCLA crearon una plataforma programable basada en una placa de circuito impreso del tamaño de la palma de la mano que realiza operaciones bioanalíticas y de manejo de líquidos de manera paralela. A diferencia de los métodos anteriores, que requerían instrumentos voluminosos y que requerían muchos recursos, la plataforma miniaturizada ofrece un ahorro sustancial de costos en una amplia gama de prevalencia viral, al tiempo que ofrece alta precisión, solidez, adaptabilidad y escalabilidad.
“Nuestra tecnología de laboratorio portátil podría ayudar a superar algunas de las barreras de la escasez y el acceso a las pruebas, especialmente al principio de una pandemia, cuando es más crucial controlar la propagación de la enfermedad”, dice Emaminejad. “Y más allá de su potencial para abordar problemas de escasez de suministros y alta demanda, podría adaptarse ampliamente para detectar muchos tipos de enfermedades en el campo y con calidad de laboratorio”.
Pasando a pruebas multiplexadas y agrupadas
Los investigadores desarrollaron un conjunto de operaciones para detectar la presencia de material genético de un virus, en este caso, el SARS-CoV-2 que causa el COVID-19. La placa de circuito controla un enjambre de ferrobots para transportar muestras magnetizadas a través del flujo de trabajo de NAAT de diagnóstico, incluido el transporte automatizado, la división en alícuotas, la fusión, la mezcla y el calentamiento de las gotas de muestra para amplificar el producto de reacción (ADN). Finalmente, los resultados se determinan en base a un cambio de color de un indicador de pH, lo que permite una interpretación binaria de la prueba, por encima o por debajo de un umbral, como positivo o negativo, respectivamente.
Los investigadores de la UCLA también demostraron la paralelización (mover muchos de los ferrobots al mismo tiempo usando mosaicos electromagnéticos en el circuito), así como operaciones de tareas secuenciales de manera colaborativa por parte de cada ferrobot (en coordinación con los otros ferrobots).
“El diseño compacto de esta plataforma y el manejo automatizado de muestras permiten implementaciones sencillas de pruebas agrupadas en las que puede analizar docenas de muestras de pacientes al mismo tiempo, y todas con los mismos materiales que actualmente se necesitan para evaluar a un solo paciente”, dice Di Carlo. “Por ejemplo, podría evaluar a los estudiantes en una residencia universitaria completa con solo unas pocas docenas de kits de prueba”.
El biosensor adaptable detecta rápidamente el virus y los anticuerpos COVID-19
Al implementar un algoritmo de prueba agrupado, que puede analizar hasta 16 muestras en un solo ensayo, el sistema requiere costos de reactivos mucho más bajos que los necesarios para analizar las muestras individualmente. Si la prueba agrupada mostró un resultado positivo, se lleva a cabo un conjunto de operaciones simplificadas posteriores dentro de la plataforma hasta que se identifican las muestras positivas reales. En última instancia, señalan los investigadores, los costos de los reactivos químicos podrían reducirse entre 10 y 300 veces según la prevalencia viral.
Además de realizar pruebas para varias enfermedades simultáneamente, la plataforma puede analizar una gran cantidad de muestras de entrada en paralelo y de forma asíncrona a medida que llegan, evitando los tiempos de espera asociados con el procesamiento por lotes. Como tal, el equipo concluye que esta tecnología sirve como una solución prometedora para aumentar la capacidad de prueba a nivel mundial para la preparación ante epidemias y pandemias.
