Grandi epidemie, tra cui SARS, Zika ed Ebola, e pandemie come H1N1 e COVID-19 hanno colpito il mondo negli ultimi due decenni. Poiché le epidemie di malattie infettive emergono con crescente regolarità, la necessità di espandere la capacità di test diagnostici e di sorveglianza virale per contenere le epidemie e prevenire le pandemie diventa progressivamente evidente. Ricercatori guidati da Dino Di Carlo ed Sam Emaminejad dell’Università della California, Los Angeles (UCLA) hanno ora sviluppato un test diagnostico virale portatile basato su uno sciame di magneti di dimensioni millimetriche (chiamati “ferrobot”). La tecnologia potrebbe aumentare in modo significativo la produttività dei test sulle malattie, riducendo al minimo i costi e l’utilizzo di scorte scarse.
Descrizione del kit da laboratorio diagnostico in Natura, i ricercatori delineano il principio di funzionamento e l'adattabilità della piattaforma per i test virali multiplexati e raggruppati. Riportano anche i risultati di uno studio clinico utilizzando campioni di individui con sintomi di COVID-19. Confrontando i risultati dei test utilizzando il kit da laboratorio con gli stessi campioni testati per COVID-19 utilizzando il test gold standard della reazione a catena della polimerasi con trascrizione inversa (RT-PCR) ha rivelato una sensibilità del test del 98% e una specificità del 100%.
Superare le carenze di approvvigionamento e ridurre i costi
Tra le opzioni per i test diagnostici e di sorveglianza virale, i test di amplificazione degli acidi nucleici (NAAT) mostrano chiari vantaggi rispetto ai test basati su antigeni e anticorpi, in termini di sensibilità, specificità e capacità di fornitura rapida senza previa generazione di anticorpi diagnostici specifici. Tuttavia, le precedenti piattaforme di test basate su NAAT non erano in grado di eseguire i processi integrati di gestione dei liquidi, analisi e feedback automatico necessari per ottenere flussi di lavoro flessibili e massimizzare l’efficienza dello screening delle malattie.
Per superare questa carenza, i ricercatori dell’UCLA hanno creato una piattaforma programmabile basata su un circuito stampato, grande quanto un palmo di mano, che esegue operazioni di manipolazione dei liquidi e bioanalitiche in modo parallelo. A differenza dei metodi precedenti, che richiedevano strumenti ingombranti e ad alta intensità di risorse, la piattaforma miniaturizzata offre notevoli risparmi sui costi su un’ampia gamma di prevalenza virale, offrendo allo stesso tempo elevata precisione, robustezza, adattabilità e scalabilità.
“La nostra tecnologia di laboratorio portatile potrebbe aiutare a superare alcune barriere legate alla scarsità e all’accesso ai test, soprattutto all’inizio di una pandemia, quando è fondamentale controllare la diffusione della malattia”, afferma Emaminejad. “E oltre al suo potenziale per affrontare problemi di scarsità di scorte e elevata domanda, potrebbe essere ampiamente adattato per testare molti tipi di malattie sul campo e con qualità di laboratorio”.
Passando ai test multiplex e in pool
I ricercatori hanno sviluppato una serie di operazioni per rilevare la presenza di materiale genetico da un virus – in questo caso, SARS-CoV-2 che causa COVID-19. Il circuito controlla uno sciame di ferrobot per trasportare campioni magnetizzati attraverso il flusso di lavoro diagnostico NAAT, compreso il trasporto automatizzato, l'aliquotazione, la fusione, la miscelazione e il riscaldamento delle goccioline del campione per amplificare il prodotto della reazione (DNA). Infine, i risultati vengono determinati in base al cambiamento di colore di un indicatore di pH, che consente un'interpretazione binaria del test, al di sopra o al di sotto di una soglia, rispettivamente come positivo o negativo.
I ricercatori dell’UCLA hanno anche dimostrato la parallelizzazione – spostando molti ferrobot contemporaneamente utilizzando piastrelle elettromagnetiche nel circuito – nonché operazioni di compiti sequenziali in modo collaborativo da parte di ciascun ferrobot (in coordinamento con gli altri ferrobot).
"Il design compatto di questa piattaforma e la gestione automatizzata dei campioni consentono facili implementazioni di test raggruppati in cui è possibile testare dozzine di campioni di pazienti contemporaneamente e tutti con gli stessi materiali attualmente necessari per testare un solo paziente", afferma Di Carlo. "Ad esempio, potresti testare gli studenti in un'intera residenza universitaria con solo poche dozzine di kit di test."
Il biosensore adattabile rileva rapidamente il virus e gli anticorpi COVID-19
Implementando un algoritmo di test in pool, che può testare fino a 16 campioni in un singolo test, il sistema richiede costi dei reagenti molto inferiori rispetto a quelli necessari per testare i campioni individualmente. Se il test raggruppato ha mostrato un risultato positivo, all'interno della piattaforma ha luogo una successiva serie semplificata di operazioni fino all'identificazione dei campioni positivi effettivi. In definitiva, notano i ricercatori, i costi dei reagenti chimici potrebbero essere ridotti da 10 a 300 volte a seconda della prevalenza virale.
Oltre a testare diverse malattie contemporaneamente, la piattaforma può analizzare un gran numero di campioni in ingresso in parallelo e in modo asincrono man mano che arrivano, evitando i tempi di attesa associati all’elaborazione batch. Pertanto, il team conclude che questa tecnologia costituisce una soluzione promettente per aumentare la capacità di test a livello globale per la preparazione alle epidemie e alle pandemie.
