Epidemiile majore, inclusiv SARS, Zika și Ebola, și pandemiile precum H1N1 și COVID-19 au cuprins lumea în ultimele două decenii. Pe măsură ce focarele de boli infecțioase apar cu o regularitate din ce în ce mai mare, necesitatea extinderii capacității de diagnosticare virală și de testare a supravegherii pentru a limita epidemiile și a preveni pandemiile devine progresiv evidentă. Cercetătorii conduși de Dino Di Carlo și Sam Emaminejad de la Universitatea din California, Los Angeles (UCLA) au dezvoltat acum un test de diagnostic viral portabil bazat pe un roi de magneți de dimensiuni milimetrice (numiți „feroboți”). Tehnologia ar putea crește semnificativ debitul de testare a bolilor, reducând în același timp costurile și utilizarea materialelor limitate.
Descrierea trusei de laborator de diagnostic în Natură, cercetătorii subliniază principiul de lucru și adaptabilitatea platformei pentru testarea virală multiplexată și combinată. Ei raportează, de asemenea, rezultatele unui studiu clinic folosind mostre de la persoane cu simptome COVID-19. Compararea rezultatelor testelor folosind trusa de laborator cu aceleași probe testate pentru COVID-19 folosind testul standard de aur cu transcripție inversă-reacție în lanț a polimerazei (RT-PCR) a evidențiat o sensibilitate a testului de 98% și o specificitate de 100%.
Depășirea deficitului de aprovizionare și reducerea costurilor
Printre opțiunile pentru testarea de diagnostic și supraveghere virală, testele de amplificare a acidului nucleic (NAAT) arată avantaje clare față de testele bazate pe antigen și anticorpi, în ceea ce privește sensibilitatea, specificitatea și capacitatea de furnizare rapidă fără generarea prealabilă de anticorpi specifici de diagnostic. Cu toate acestea, platformele anterioare de testare bazate pe NAAT nu au putut efectua procesele integrate de manipulare a lichidelor, analiză și feedback automat necesare pentru a realiza fluxuri de lucru flexibile și pentru a maximiza eficiența screening-ului bolilor.
Pentru a depăși acest deficiență, cercetătorii de la UCLA au creat o platformă programabilă bazată pe o placă de circuit imprimat de dimensiunea palmei, care efectuează manipularea lichidelor și operațiuni bioanalitice în mod paralel. Spre deosebire de metodele anterioare, care necesitau instrumente voluminoase, consumatoare de resurse, platforma miniaturizată oferă economii substanțiale de costuri pe o gamă largă de prevalență virală, oferind simultan o precizie ridicată, robustețe, adaptabilitate și scalabilitate.
„Tehnologia noastră de laborator portabilă ar putea ajuta la depășirea unora dintre barierele deficitului și accesul la teste, în special la începutul unei pandemii, când este cel mai important să controlăm răspândirea bolii”, spune Emaminejad. „Și dincolo de potențialul său de a aborda problemele legate de aprovizionarea redusă și cererea mare, ar putea fi adaptat pe scară largă pentru a testa multe tipuri de boli în domeniu și cu o calitate de laborator.”
Trecerea la testarea multiplexată și grupată
Cercetătorii au dezvoltat o suită de operațiuni pentru a detecta prezența materialului genetic dintr-un virus - în acest caz, SARS-CoV-2 care cauzează COVID-19. Placa de circuit controlează un roi de feroboți pentru a transporta probe magnetizate prin fluxul de lucru NAAT de diagnosticare, inclusiv transportul automat, alicotarea, îmbinarea, amestecarea și încălzirea picăturilor de probă pentru a amplifica produsul de reacție (ADN). În cele din urmă, rezultatele sunt determinate pe baza unei schimbări de culoare a unui indicator de pH, care permite o interpretare binară a testului, peste sau sub un prag, ca pozitiv sau respectiv negativ.
Cercetătorii de la UCLA au demonstrat, de asemenea, paralelizarea - deplasarea multor feroboți în același timp folosind plăci electromagnetice în circuit - precum și operațiuni secvențiale de sarcini într-o manieră colaborativă de către fiecare ferobot (în coordonare cu ceilalți feroboți).
„Designul compact al acestei platforme și manipularea automată a probelor permit implementări ușoare ale testării în comun, unde puteți testa zeci de mostre de pacienți în același timp și toate cu aceleași materiale necesare în prezent pentru a testa un singur pacient”, spune Di Carlo. „De exemplu, ai putea testa studenții într-o reședință de colegiu întreagă cu doar câteva zeci de truse de testare.”
Biosenzorul adaptabil detectează rapid virusul COVID-19 și anticorpii
Prin implementarea unui algoritm de testare combinat, care poate testa până la 16 probe într-un singur test, sistemul necesită costuri mult mai mici cu reactiv decât este necesar pentru a testa probele individual. Dacă testul cumulat a arătat un rezultat pozitiv, un set ulterior simplificat de operațiuni are loc în cadrul platformei până când sunt identificate probele pozitive reale. În cele din urmă, observă cercetătorii, costurile reactivilor chimici ar putea fi reduse de 10 până la 300 de ori, în funcție de prevalența virală.
Pe lângă testarea mai multor boli simultan, platforma poate analiza un număr mare de mostre de intrare în paralel și asincron pe măsură ce sosesc, evitând timpii de așteptare asociati procesării loturilor. Ca atare, echipa concluzionează că această tehnologie servește ca o soluție promițătoare pentru a crește capacitatea de testare la nivel global pentru pregătirea pentru epidemii și pandemii.
