Grandes epidemias, incluindo SARS, Zika e Ebola, e pandemias como H1N1 e COVID-19 dominaram o mundo nas últimas duas décadas. À medida que os surtos de doenças infecciosas surgem com crescente regularidade, a necessidade de expandir a capacidade de diagnóstico viral e testes de vigilância para conter epidemias e prevenir pandemias torna-se progressivamente evidente. Pesquisadores liderados por Dino Di Carlo e Sam Emaminejad pela Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA) desenvolveram agora um teste de diagnóstico viral portátil baseado em um enxame de ímãs milimétricos (denominados “ferrobots”). A tecnologia pode aumentar significativamente o rendimento dos testes de doenças, minimizando os custos e o uso de suprimentos escassos.
Descrevendo o kit de laboratório de diagnóstico em Natureza, os pesquisadores descrevem o princípio de funcionamento e a adaptabilidade da plataforma para testes virais multiplexados e agrupados. Eles também relatam os resultados de um estudo clínico usando amostras de indivíduos com sintomas de COVID-19. A comparação dos resultados do teste usando o kit de laboratório com as mesmas amostras testadas para COVID-19 usando o ensaio padrão-ouro de reação em cadeia da polimerase com transcrição reversa (RT-PCR) revelou uma sensibilidade de teste de 98% e especificidade de 100%.
Superando a escassez de suprimentos e reduzindo custos
Entre as opções de testes de diagnóstico e vigilância viral, os testes de amplificação de ácidos nucleicos (NAATs) apresentam claras vantagens sobre os testes baseados em antígenos e anticorpos, em termos de sensibilidade, especificidade e capacidade de fornecimento rápido sem geração prévia de anticorpos diagnósticos específicos. No entanto, as plataformas de teste anteriores baseadas em NAAT não conseguiam realizar os processos integrados de manuseio de líquidos, análise e feedback automático necessários para alcançar fluxos de trabalho flexíveis e maximizar a eficiência da triagem de doenças.
Para superar esse déficit, os pesquisadores da UCLA criaram uma plataforma programável baseada em placa de circuito impresso do tamanho da palma da mão que realiza manipulação de líquidos e operações bioanalíticas de maneira paralela. Em contraste com os métodos anteriores, que exigiam instrumentos volumosos e com uso intensivo de recursos, a plataforma miniaturizada oferece economia substancial de custos em uma ampla gama de prevalência viral, oferecendo simultaneamente alta precisão, robustez, adaptabilidade e escalabilidade.
“Nossa tecnologia de laboratório portátil pode ajudar a superar algumas das barreiras de escassez e acesso a testes, especialmente no início de uma pandemia, quando é mais crucial controlar a propagação de doenças”, diz Emaminejad. “E além de seu potencial para resolver problemas de escassez de suprimentos e alta demanda, ele pode ser amplamente adaptado para testar muitos tipos de doenças no campo e com qualidade de laboratório”.
Mudando para testes multiplexados e agrupados
Os pesquisadores desenvolveram um conjunto de operações para detectar a presença de material genético de um vírus – neste caso, o SARS-CoV-2 que causa o COVID-19. A placa de circuito controla um enxame de ferrobots para transportar amostras magnetizadas através do fluxo de trabalho de diagnóstico NAAT, incluindo transporte automatizado, alíquota, fusão, mistura e aquecimento de gotículas de amostra para amplificar o produto de reação (DNA). Finalmente, os resultados são determinados com base na mudança de cor de um indicador de pH, o que permite uma interpretação binária do teste, acima ou abaixo de um limiar, como positivo ou negativo, respectivamente.
Os pesquisadores da UCLA também demonstraram paralelização – movendo muitos dos ferrobots ao mesmo tempo usando blocos eletromagnéticos no circuito – bem como operações de tarefas sequenciais de maneira colaborativa por cada ferrobot (em coordenação com os outros ferrobots).
“O design compacto desta plataforma e o manuseio automatizado de amostras permitem implementações fáceis de testes agrupados, onde você pode testar dezenas de amostras de pacientes ao mesmo tempo, e tudo com os mesmos materiais usados atualmente para testar apenas um paciente”, diz Di Carlo. “Por exemplo, você pode testar alunos em uma residência universitária inteira com apenas algumas dezenas de kits de teste.”
Biossensor adaptável detecta rapidamente vírus e anticorpos COVID-19
Ao implementar um algoritmo de teste agrupado, que pode testar até 16 amostras em um único ensaio, o sistema requer custos de reagentes muito mais baixos do que o necessário para testar as amostras individualmente. Se o teste agrupado mostrar um resultado positivo, um conjunto simplificado subsequente de operações ocorre dentro da plataforma até que as amostras positivas reais sejam identificadas. Em última análise, observam os pesquisadores, os custos de reagentes químicos podem ser reduzidos de 10 a 300 vezes, dependendo da prevalência viral.
Além de testar várias doenças simultaneamente, a plataforma pode analisar um grande número de amostras de entrada em paralelo e de forma assíncrona à medida que chegam, evitando tempos de espera associados ao processamento em lote. Como tal, a equipe conclui que esta tecnologia serve como uma solução promissora para aumentar a capacidade de teste globalmente para preparação para epidemias e pandemias.
