La pandemia globale in corso ha creato un'urgente necessità di test rapidi in grado di diagnosticare la presenza del virus SARS-CoV-2, l'agente patogeno che causa il COVID-19, e distinguerlo da altri virus respiratori. Ora, ricercatori dal Giappone hanno dimostrato un nuovo sistema per l'identificazione di un singolo virus di patogeni respiratori comuni utilizzando un algoritmo di apprendimento automatico addestrato sui cambiamenti di corrente attraverso i nanopori di silicio. Questo lavoro può portare a test di screening rapidi e accurati per malattie come COVID-19 e influenza.

In uno studio pubblicato questo mese in Sensori ACS gli scienziati dell'Università di Osaka hanno introdotto un nuovo sistema che utilizza nanopori di silicio abbastanza sensibili da rilevare anche una singola particella di virus se accoppiati a un algoritmo di apprendimento automatico.

In questo metodo, uno strato di nitruro di silicio di soli 50 nm di spessore sospeso su un wafer di silicio ha piccoli nanopori aggiunti, che sono essi stessi solo 300 nm di diametro. Quando viene applicata una differenza di tensione alla soluzione su entrambi i lati del wafer, gli ioni viaggiano attraverso i nanopori in un processo chiamato elettroforesi.

Il movimento degli ioni può essere monitorato dalla corrente che generano, e quando una particella virale entra in un nanoporo, blocca alcuni degli ioni dal passaggio, portando a un transitorio calo di corrente. Ogni immersione riflette le proprietà fisiche della particella, come volume, carica superficiale, e forma, quindi possono essere utilizzati per identificare il tipo di virus.

La variazione naturale delle proprietà fisiche delle particelle virali aveva precedentemente ostacolato l'attuazione di questo approccio, però, utilizzando l'apprendimento automatico, il team ha costruito un algoritmo di classificazione addestrato con segnali di virus noti per determinare l'identità di nuovi campioni. "Combinando il rilevamento di nanopori di particelle singole con l'intelligenza artificiale, siamo stati in grado di ottenere un'identificazione altamente accurata di più specie virali, " spiega l'autore senior Makusu Tsutsui.

Il computer può discriminare le differenze nelle forme d'onda della corrente elettrica che non possono essere identificate dall'occhio umano, che consente una classificazione dei virus altamente accurata. Oltre al coronavirus, il sistema è stato testato con agenti patogeni simili:virus respiratorio sinciziale, adenovirus, influenza A, e influenza B.

Il team ritiene che i coronavirus siano particolarmente adatti per questa tecnica poiché le loro proteine ​​esterne appuntite possono persino consentire di classificare separatamente diversi ceppi. "Questo lavoro aiuterà con lo sviluppo di un kit di test del virus che supera i metodi di ispezione virale convenzionali, " dice l'ultimo autore Tomoji Kawai.

Rispetto ad altri test virali rapidi come la reazione a catena della polimerasi o gli schermi basati su anticorpi, il nuovo metodo è molto più veloce e non richiede costosi reagenti, che può portare a test diagnostici migliorati per le particelle virali emergenti che causano malattie infettive come COVID-19.