Los láseres podrían acelerar el diagnóstico del coronavirus

Un esquema conceptual de un método basado en láser para identificar rápidamente el coronavirus. Crédito: Universidad de Penn State, CC BY-ND

El tipo de prueba más común para el nuevo coronavirus toma varias horas y es incómodo; las muestras se obtienen deslizando un hisopo en la nariz o la garganta.

Estoy colaborando con otros científicos, incluidos Yin-Ting Yeh en Penn State, Elodie Ghedin en la Universidad de Nueva York, Shengxi Huang en Penn State y Sharon X. Huang en Penn State, en una herramienta de diagnóstico para atrapar e identificar virus rápidamente. utilizando un rayo láser y un detector. El equipo me incluye a mí, un físico, así como a virólogos, ingenieros, químicos y científicos de datos.

Cómo hacemos el trabajo

Nuestro enfoque utiliza una técnica llamada espectroscopia Raman para identificar virus al iluminar un cartucho desechable que recolecta muestras de hisopos orales o de una persona que sopla el dispositivo. Una vez que se recolecta una muestra, un espectrómetro mide las vibraciones interatómicas que resultan de hacer brillar la luz sobre los virus recolectados. Cada virus tiene sus propias vibraciones características, que actúan como una especie de huella digital óptica que puede distinguir el coronavirus de, por ejemplo, el virus que causa la influenza.

Podríamos capturar virus de la saliva de los pacientes tomada con un hisopo o por una persona que sopla a través de un dispositivo, llamado cartucho de microfluidos. El aire y el líquido pasan por una serie de nanotubos de carbono, moléculas en forma de cilindro que se utilizan en diferentes materiales.

La proyección de un láser sobre muestras de virus atrapadas en una malla de nanotubos de carbono producirá un reflejo distintivo. Crédito: Penn State University, CC BY

Los diámetros de los nanotubos son microscópicos, entre 10 y 60 nanómetros. Debido a que son más pequeños que los microbios, los virus de la gripe varían entre 90 y 120 nanómetros de diámetro y los coronavirus entre 125 y 150 nm de diámetro, los patógenos se acumulan en los nanotubos de carbono. Una vez atrapados al pasar a través de los nanotubos de carbono, los virus pueden identificarse ópticamente haciendo brillar un láser sobre la muestra. Al hacer brillar la luz sobre los nanotubos de carbono y los patógenos, se crea una huella digital óptica distintiva, o «picos Raman».

Después de que el láser brilla sobre la muestra atrapada, los algoritmos de aprendizaje automático identifican el espectro característico del virus que resulta de la luz que rebota en las partículas del virus. Con la ayuda del aprendizaje automático, la identificación lleva menos de dos minutos con una tasa de precisión de hasta el 70 % al 90 %, comparable a las técnicas de microbiología de última generación.

Por qué es importante

En este momento, la detección rápida y precisa del nuevo coronavirus es de suma importancia. Si bien la espectroscopia Raman tiene el potencial de ser de gran ayuda para identificar este virus, los médicos también pueden usar esta técnica para detectar otras enfermedades, como la influenza. Al identificar el virus de manera fácil, rápida y en el punto de contacto, la espectroscopia Raman podría detener significativamente la propagación de la enfermedad.

Compare eso con nuestros métodos actuales de análisis de muestras; un proceso que es relativamente lento, tedioso, laborioso y requiere un escrutinio extenso en los laboratorios. La detección temprana y rápida con este nuevo dispositivo tiene el potencial de salvar cientos de miles de vidas cada año.

Después de ser irradiados con láser, diferentes microbios emitirán radiación en diferentes longitudes de onda que se pueden medir para identificar el patógeno. Crédito: Penn State University, CC BY

¿Qué otro trabajo se está realizando?

Para la identificación de virus, las tecnologías existentes brindan una detección relativamente sensible. Sin embargo, tardan varias horas y, en ocasiones, días, dependiendo de la calidad de la muestra recolectada porque las bajas concentraciones de virus son muy difíciles de procesar y dan como resultado falsos negativos.

Desafortunadamente, tanto los métodos inmunológicos como los moleculares, incluidos el ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas (ELISA) y la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), requieren un conocimiento previo de las cepas. Otra técnica conocida como secuenciación profunda es otro nuevo enfoque prometedor, pero obtener suficientes lecturas virales para que funcione bien depende de la calidad de la muestra y su preparación. Los pasos de procesamiento implican la incorporación de diferentes equipos de mesa, reactivos y experiencia técnica. Esta técnica Raman se ha desarrollado recientemente para identificar diferentes bacterias, lo que demuestra que la técnica es realmente novedosa y viable.

Qué sigue

Estamos solicitando fondos federales para demostrar que esta tecnología funciona para el SARS-CoV-2, el virus que causa el COVID-19, y luego construir prototipos confiables que puedan ampliarse para la producción en masa y el despliegue en el campo. También estamos hablando con varios fabricantes y explorando formas de hacer avanzar la tecnología para ayudar en la crisis actual.

Hemos tenido éxito en la captura de virus respiratorios humanos de muestras clínicas utilizando esta técnica. Eventualmente, prevemos que esta tecnología estará disponible para cualquier persona que visite a su médico de cabecera. En dos minutos, una persona sabría si tiene un virus respiratorio comparando el resultado de la prueba de espectroscopia con otros resultados en una base de datos. En el futuro, esta tecnología podría estar en hospitales, aeropuertos y dentro de aviones comerciales para evitar brotes. Y los virus capturados, aún viables, pueden replicarse para desarrollar una vacuna.

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Cita: Los láseres podrían acelerar el diagnóstico de coronavirus (7 de mayo de 2020) consultado el 31 de agosto de 2022 en https://medicalxpress.com/news/2020-05-lasers-coronavirus-diagnostics. html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.