Investigadores buscan una prueba simple y rápida para SARS-CoV-2 en aguas residuales
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Mientras el SARS-CoV-2 se propagaba por su país de origen, China a principios de este año, el ingeniero biomédico Zhugen Yang se dio cuenta de que su experiencia tanto en tecnología sensorial como en monitoreo de aguas residuales podría ser la combinación perfecta para ayudar a rastrear los brotes de COVID-19. Yang había creado previamente ensayos de diagnóstico listos para el campo para patógenos en fluidos corporales (vacas y humanos). También ayudó a desarrollar sensores para monitorear las aguas residuales, inicialmente para la cocaína y la metanfetamina, y luego para las secuencias de ADN mitocondrial humano, que pueden servir como biomarcadores para varios tipos de cáncer. Ahora en la Universidad de Cranfield en el Reino Unido, Yang decidió que desarrollaría una prueba fácil de usar y de bajo costo para verificar la presencia de SARS-CoV-2 en las plantas de tratamiento de aguas residuales.
En los últimos meses , la epidemiología de las aguas residuales, específicamente, la idea de observar las aguas residuales para detectar y cuantificar las infecciones en las poblaciones locales se ha convertido en un enfoque popular para el seguimiento de la pandemia. Varios estudios sugieren que el SARS-CoV-2, aunque rara vez se libera en la orina, se elimina en las heces de alrededor de un tercio a la mitad de las personas infectadas, particularmente durante los primeros días de la infección, dice Mariana Matus, directora ejecutiva y cofundadora. de Biobot, una empresa con sede en Boston centrada en la epidemiología de las aguas residuales que ha comenzado a analizar muestras semanalmente de cientos de plantas de tratamiento de aguas residuales en los EE. UU. para detectar el ARN del SARS-CoV-2. Varios países ahora están organizando programas de detección generalizados para detectar rastros de ARN del SARS-CoV-2.
No los vemos necesariamente como un reemplazo del trabajo de laboratorio.
Mariana Matus, Biobot
Vea cómo los países comienzan la detección a gran escala del SARS-CoV-2 en aguas residuales
Los métodos existentes implican el envío de muestras a laboratorios, donde investigadores capacitados realizan la técnica estándar de oro, el recurso – y el método intensivo de tiempo de PCR cuantitativa (qPCR), para detectar el material genético del virus. Yang puso su mirada en algo más simple. Su enfoque, descrito en una opinión en Environmental Science & Tecnología en marzo, debería ser capaz de producir una muestra en una hora sin ningún tipo de energía o instalaciones avanzadas, dice.
El ensayo que Yang prevé, una adaptación de uno que él y sus colegas desarrollaron un par de hace años para la identificación de patógenos bovinos de transmisión sexual en el semen de las vacas, implicará varios pasos. Primero, un usuario pasaría una muestra de aguas residuales a través de un filtro para eliminar partículas grandes, antes de pipetear o dejar caer el agua en una membrana que retiene nada más grande que 50 nanómetros de ancho, incluido el SARS-CoV-2, que tiene un diámetro de al menos eso. ;
Los investigadores usan dispositivos basados en papel como estos para detectar patógenos. ZHUGEN YANG
El usuario luego agrega químicos para liberar ácidos nucleicos albergados dentro de virus y organismos en la membrana y transfiere la solución resultante a un plegado, dispositivo basado en papel que absorbe esos ácidos nucleicos gracias a fibras de vidrio incrustadas, que generan un tirón electrostático. Finalmente, el usuario enjuaga el material genético del papel en una pequeña cámara de plástico y agrega reactivos para amplificar el ARN del SARS-CoV-2. Si el virus está presente, la amplificación de esas secuencias desencadena una reacción que provoca un cambio de color visible en el exterior de la cámara de plástico.
Tal prueba les daría a los trabajadores de las plantas de tratamiento de aguas residuales la capacidad de realizar las pruebas. in situ, y así se evita la necesidad de almacenamiento en frío y envío de las muestras, así como los retrasos inherentes a dicho proceso. Yangs no es el único interesado en tal enfoque. Matus dice que su compañía está trabajando con varios socios para ver si los sensores para SARS-CoV-2 que se desarrollaron por primera vez para las pruebas clínicas de COVID-19 podrían funcionar para monitorear las aguas residuales en busca de signos del virus.
Dado la enorme demanda de análisis de aguas residuales, estaban comenzando a explorar cómo se puede utilizar la tecnología en ese contexto, dice Matus. Para las pruebas tradicionales de qPCR que Biobot está utilizando actualmente, el tiempo de respuesta suele ser de unos tres días, dice. La oportunidad que veo con las pruebas rápidas, las tiras de papel u otras [tecnologías] es . . . casi como una preselección de las muestras de aguas residuales. No los vemos necesariamente como un reemplazo del trabajo de laboratorio, pero si se usan en combinación, pueden brindar un servicio más holístico para un plan de tratamiento, porque ahora [las plantas de tratamiento de aguas residuales] tendrán el control de las pruebas, idealmente todos los días.
Pilar Domingo-Calap, viróloga de la Universidad de Valencia en España, plantea preocupaciones sobre la sensibilidad de un protocolo de prueba in situ, en particular uno que carece de un paso de filtración sólido para eliminar bacterias y otros materiales biológicos del muestra de agua residual antes del análisis del material genético que contiene. Ella dice que se pregunta si una prueba de este tipo podría detectar pequeñas cantidades de ARN viral entre las cargas de otros materiales biológicos en las aguas residuales. Para ella y sus compañeros, que actualmente analizan muestras de aguas residuales de más de 20 municipios españoles, la sensibilidad de la prueba será fundamental. En este momento, señala, debido a que solo una pequeña fracción de la población de España se ha infectado con el SARS-CoV-2, se necesita una gran ciudad con mucha gente para saber realmente lo que está sucediendo en base a muestras de aguas residuales.
< Sin embargo, Matus no comparte las preocupaciones de Domingo-Calaps sobre la falta de filtración. La detección aún puede ocurrir en ausencia de filtración, dice, pero agrega que será interesante entender cómo impulsar la detección en esa muestra tan cruda. . . . Esa es nuestra principal preocupación con la tecnología: la sensibilidad.
Zhugen Yang (centro) y sus estudiantes Syed Atif Ali (izquierda) y Nongthombam Boby (derecha) prueban un diagnóstico en papel para la enfermedad bovina en un laboratorio en India. ZHUGEN YANG
Matus señala que la inclusión de una prueba de amplificación en el protocolo propuesto por Yang podría ayudar a abordar el problema. Por lo general, dice, las pruebas en papel no amplifican el material genético, sino que tienen anticuerpos que se unen a un objetivo en particular. Si [el ensayo de Yangs] pudiera superar los problemas de sensibilidad que se observan con las pruebas rápidas basadas en anticuerpos, entonces esto cambiaría las reglas del juego, dice Matus.
Yang aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo de la prueba de aguas residuales, sin emabargo. Su universidad estuvo cerrada desde mediados de marzo hasta principios de junio, tiempo durante el cual se concentró en hacer los preparativos necesarios para ponerse en marcha cuando él y su equipo regresaran al laboratorio. Esto incluyó el desarrollo in silico de los cebadores que amplifican el ARN del SARS-CoV-2, la compra de los reactivos necesarios y la búsqueda de colaboradores y financiamiento.
Ahora está trabajando con una compañía de agua local que enviará muestras para que las analice en el laboratorio y eventualmente le permitirá probar el ensayo en el sitio. Yang dice que espera haber optimizado la prueba lo suficiente como para comenzar los experimentos de validación en muestras de aguas residuales dentro de un par de meses, y enviar sus kits para que los analicen en la empresa de aguas residuales tres o cuatro meses después de eso. El progreso es un poco lento, admite, pero ahora estamos listos para comenzar este experimento de una manera muy positiva.
Esta historia es parte de una serie de The Scientist sobre cómo los investigadores de todo el mundo están colaborando para ayudar en el esfuerzo contra el COVID-19.
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