Investigadores crean mascarilla facial detectora de patógenos
ARRIBA: Prototipo de mascarilla detectora de SARS-CoV-2 INSTITUTO WYSS EN LA UNIVERSIDAD DE HARVARD
Una mascarilla facial que protege contra patógenos respiratorios y pruebas para SARS-CoV-2 con la misma precisión que una prueba de laboratorio? Suena a ciencia ficción.
Pero en un estudio publicado el 28 de junio en Nature Biotechnology, un grupo dirigido por investigadores del Instituto Wyss de Harvard y el MIT incorpora biosensores en la tela, creando un SARS -Máscara facial con detección de CoV-2 y una chaqueta que puede detectar bacterias resistentes a los antibióticos.
Hasta donde saben los autores, es la primera demostración de fibras textiles que utilizan sistemas sin células que han sido diseñados para aprovechar los mecanismos de detección centrales de los sistemas biológicos celulares, dice el coautor Luis Soenksen del MIT.
No es la primera vez que los investigadores incorporan componentes biológicos en sensores portátiles. En una búsqueda para fabricar dispositivos como tatuajes adhesivos que detecten pequeñas moléculas en la piel o prendas para correr que abren aletas de ventilación cuando se exponen al sudor, los científicos a menudo han utilizado células vivas como las bacterias porque su maquinaria molecular puede llevar a cabo una reacción que indica la presencia de una sustancia dada.
Pero las células vivas pueden estar necesitadas, con requisitos nutricionales, de humedad y de temperatura estrictos. También corren el riesgo de escapar a su entorno, así como de mutar, por lo que ya no desempeñarán la función para la que fueron diseñados.
En lugar de utilizar células vivas, algunos biólogos sintéticos utilizan sistemas en los que se incluyen todos los componentes de reacción derivados de células, como las enzimas. Los componentes de reacción libres de células se pueden liofilizar, lo que lleva a un enfoque de simplemente agregar agua.
Evoca la conveniencia del café instantáneo, dice el biólogo sintético y coautor del Instituto Wyss, Peter Nguyen. Puedes guardarlo durante años. Y cuando lo desee, simplemente sáquelo del estante, agregue agua y tendrá diagnósticos instantáneos.
En el caso de los dispositivos portátiles que desarrolla su equipo, Nguyen dice que una ventaja adicional de usar congelación es componentes secos es que debido a que solo se activan cuando se rehidratan, podrían dar una respuesta rápida al usuario si entran en contacto con fluidos contaminados. Antes de la pandemia, el equipo (que incluía a Jim Collins, cofundador de la empresa emergente de desarrollo de diagnósticos Sherlock Biosciences) había estado trabajando en telas portátiles con sensores integrados que los investigadores imaginaron que se usarían para aplicaciones como detectar riesgos biológicos o químicos ambientales y alertar el usuario enviando señales a una aplicación de teléfono inteligente. La idea de los wearables surgió de querer integrar esto en algo que todos en el planeta puedan usar en casa sin demasiado desorden, alboroto o experiencia, dice Nguyen.
Demostraron que podían congelarse en seco y rehidratar muchos tipos diferentes de sistemas de detección, incluidos los que podrían detectar varias moléculas pequeñas y ARN del virus del Ébola. Soenksen dice que el equipo probó más de 100 telas para encontrar cuáles eran más compatibles con los sensores y pudo integrar los sensores en una chaqueta que podía detectar ciertas cepas de bacterias resistentes a los antibióticos. Estaban casi listos para enviar las revisiones finales de su manuscrito y solo necesitaban hacer algunos experimentos más.
Entonces llegó la pandemia.
Incapaz de hacer lo experimentos que habían planeado originalmente, recuerda Nguyen, Estábamos sentados en casa pensando. . . ¿Podemos tomar lo que aprendimos de los dispositivos portátiles y aplicarlo a la pandemia?
Inicialmente, dice Nguyen, querían crear un sensor portátil que pudiera detectar el SARS-CoV-2 ambiental, pero luego se dieron cuenta sería difícil recolectar suficiente muestra para activar el sensor deshidratado, a menos que una persona infectada estornudara directamente sobre él.
La idea de una máscara surgió cuando algunos médicos-científicos de su equipo que estaban tratando COVID -19 pacientes mencionaron lo difícil que era clasificar a los pacientes sospechosos cuando las pruebas de diagnóstico existentes eran tan lentas. Debido a que a las personas que ingresaban con síntomas de COVID-19 se les entregaron máscaras de inmediato, explica Nguyen, el equipo pensó: ¿Por qué no integrar una prueba en la máscara?
La máscara también podría ser útil para el personal del hospital, que podría usar la máscara todo el día y luego realizar la prueba al final de su turno, en lugar de tener que alejarse de su trabajo para hacerse la prueba, agrega Nguyen.
El equipo creó un sensor que detecta El ARN del SARS-CoV-2 en el aliento de los usuarios y que, según los investigadores, se puede integrar en cualquier máscara (en su estudio, usan una KN95). Para activar la máscara, el usuario simplemente presiona un botón para liberar una pequeña cantidad de agua en el sistema de detección autónomo de la máscara para rehidratar los componentes de una reacción de tres pasos. Cualquier virus depositado en el sensor de las máscaras atravesaría el sistema por acción capilar, lo que permitiría que cada paso suceda secuencialmente. Primero, un paso de lisis abre cualquier partícula viral para exponer el ARN. Luego, una enzima transcriptasa inversa convierte el ARN monocatenario del SARS-CoV-2 en ADN bicatenario. A continuación, una enzima recombinasa abre el dúplex de ADN y empareja cebadores con regiones homólogas en el ADN. Una proteína de unión estabiliza las hebras de ADN separadas y una enzima polimerasa hace copias de la región entre los cebadores.
Finalmente, las copias de ADN viral activan la enzima SHERLOCK CRISPR Cas12a, que corta los ácidos nucleicos cercanos. ácidos, incluido un poco de ADN monocatenario que se une a un indicador fluorescente. El indicador liberado reacciona con una tira en la máscara, cambiando el patrón de líneas en la tira (que se puede orientar en el interior de la máscara, para la privacidad de los usuarios) como una prueba de embarazo. Todas las reacciones se optimizaron para funcionar a temperatura ambiente.
Un prototipo de máscara en el simulador de vías respiratorias humanas utilizado en el estudio INSTITUTO WYSS DE LA UNIVERSIDAD DE HARVARD
Los autores probaron las máscaras en un dispositivo que fabricaron conectando un instrumento que simula la actividad pulmonar en un modelo de vía aérea humana con forma de cabeza humana adulta. Al conectar el ARN del SARS-CoV-2 nebulizado a su aparato de respiración con máscara, confirmaron que la máscara podía detectar el ARN viral exhalado por el usuario. Según los autores, el ensayo puede detectar el virus a las mismas concentraciones bajas que las pruebas de PCR que se utilizan actualmente para diagnosticar la infección por SARS-CoV-2, y la reacción completa tarda menos de dos horas.
Creo que es una muy buena demostración de biosensores libres de células, dice Henrike Niederholtmeyer, bióloga sintética del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre que no participó en el estudio. No tiene células, por lo que tiene menos preocupaciones sobre la biocontención, dice ella. Si tuviéramos que usar estas máscaras o correr con estos sensores portátiles, entonces nada diseñado podría escapar a nuestro entorno.
Los dispositivos en el documento todavía son una prueba de concepto en esta etapa, dice la Universidad de El biólogo sintético de Edimburgo Baojun Wang, quien tampoco participó en el trabajo. Sin embargo, él piensa que es un muy buen diseño en comparación con otros que usan células vivas. Esto puede brindarle un diseño de sensor más estable, dice, y puede estar un paso más cerca del uso en una situación real.
Pero no busque una máscara de detección de virus todavía. Además de seguir siendo un prototipo y debe ser rediseñado para su fabricación, la máscara de detección de virus debe probarse en pacientes reales con COVID-19, algo que, según Nguyen, no fue posible cuando la estaban desarrollando debido a problemas de seguridad en los hospitales y necesitaría la aprobación de la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA).
Otra limitación es que actualmente los sensores solo se pueden usar una vez, dice Wang. Agrega que los sensores en el documento tampoco pueden medir los cambios en la carga viral a lo largo del tiempo (de la misma manera que un reloj deportivo puede medir las fluctuaciones en los latidos del corazón). Solo monitorea sí o no, ya sea que haya ocurrido o no. Soenksen dice que el equipo está pensando en formas de restablecer químicamente y reutilizar los sensores. cosas como gas nervioso o patógenos de armas biológicas, y luego se desplegaron con personal de primeros auxilios y personal militar.
En última instancia, el artículo que los investigadores terminaron publicando no era el artículo que habían planeado originalmente, pero como la mayoría de los laboratorios de todo el mundo mundo durante la pandemia, trataron de sacar lo mejor de su situación. Aunque la naturaleza nos lanzó una bola curva, dice Nguyen, en realidad la atrapamos.