Un nuovo test anticorpale sviluppato da un team che include due ricercatori SMU ha il potenziale per rilevare la presenza di anticorpi generati in risposta a COVID-19 più velocemente e con maggiore precisione rispetto agli attuali test anticorpali.

I test anticorpali sono fondamentali per determinare quanti casi di coronavirus non sono stati rilevati e se le persone che hanno contratto il virus potrebbero ora essere immuni, misure che possono aiutare la comunità sanitaria a gestire la pandemia di COVID-19 e a pianificare il futuro. Ma i test sugli anticorpi immunosensoriali convenzionali tendono ad essere lenti nel mostrare i risultati e spesso imprecisi.

I ricercatori stimano che il test lab-on-a-chip potrebbe rilevare le risposte immunitarie al coronavirus in due o tre minuti, con solo una goccia di sangue. I materiali utilizzati per creare il test sono economici, che dovrebbe tradursi in una produzione di massa a basso costo.

Ali Beskok e J.-C. Chiao sono i ricercatori principali dietro il test lab-on-a-chip.

Beskok è la Fondazione Brown, Inc. Professore di Ingegneria presso la Lyle School of Engineering della SMU. Chiao è The Mary and Richard Templeton Centennial Chair e professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica di Lyle. Insieme, hanno più di 50 anni di esperienza combinata nella tecnologia della microfluidica e nella biotecnologia.

Eva Csaky, Direttore esecutivo dell'Hunter and Stephanie Hunt Institute for Engineering &Humanity della SMU; Bob Hendler, Direttore Sanitario dell'Associazione Ospedaliera del Texas; e Quan-Zhen Li, Direttore di UTSW Genomics &Microarray Core Facility, sono stati anche consulenti del progetto.

Per accelerare lo sviluppo del dispositivo lab-on-a-chip per potenziali usi clinici, il team sta attualmente cercando finanziamenti per la ricerca.

Come funziona

Il test lab-on-a-chip cercherà segni che il sistema immunitario di una persona a un certo punto abbia risposto alla presenza del coronavirus nel suo corpo. Nello specifico, rileverà le IgG umane, IgM, e gli anticorpi IgA che vengono prodotti quando qualcuno è o è stato infettato dal virus.

Il test viene eseguito applicando una goccia di sangue su un chip microfluidico utilizzato per analizzare piccole quantità di liquido. Un filtro incorporato nel microchip estrae il plasma dal campione di sangue. Il chip viene quindi inserito in uno strumento elettronico che utilizza misurazioni elettriche per rilevare se nel plasma sono presenti anticorpi specifici.

"Il nostro dispositivo contiene elettrodi altamente sensibili in grado di catturare specificamente quegli anticorpi mirati. Una volta catturati, verrà generato un segnale all'elettronica collegata e inviato informazioni allo smartphone dell'utente, "Chiao ha spiegato.

Il chip è di 2 cm di diametro, e il dispositivo è abbastanza semplice da consentire a chi non ha una formazione medica di eseguire il test, Beskok ha notato.

Come fanno questi elettrodi, i conduttori attraverso i quali possono viaggiare le correnti elettriche, a sapere di aver trovato un anticorpo mirato?

Il legame antigene-anticorpo è la chiave

Un antigene è una proteina che induce il sistema immunitario del corpo ad attaccare i virus, batteri, o altri intrusi dannosi per il corpo. Gli anticorpi sono le proteine ​​che effettivamente svolgono il lavoro di eliminazione dell'intruso legandosi agli antigeni.

"Utilizzeremo antigeni COVID-19 come le proteine ​​Spike (S1 e S2) che possono essere trovate sulla superficie del virus. Questi sporgono dalla membrana del virus, e gli anticorpi si attaccano a questi, " Beskok ha detto. "Queste proteine ​​antigene ricoprono le superfici degli elettrodi come un tampone appiccicoso, e solo gli anticorpi specificamente abbinati si attaccheranno a questi".

Beskok ha affermato che la stessa tecnologia può essere potenzialmente utilizzata per rilevare altre malattie che hanno conosciuto il legame antigene-anticorpo.

"Le potenzialità sono illimitate, " ha detto Beskok.

SMU (Southern Methodist University) ha richiesto un brevetto provvisorio della tecnologia alla base del test, che si chiama Multiplexed Assay for the Immune Response to COVID-19 (MAIRC).

Beskok e Anil Koklu, che ha conseguito il dottorato di ricerca in ingegneria meccanica presso SMU, per la prima volta nel 2018 ha avuto l'idea di utilizzare un dispositivo "Lab on the Chip" per rilevare la malaria e la tubercolosi.

Hanno creato un primo prototipo di questo dispositivo, utilizzando elettrodi strutturati nanopillar simili a reticoli creati presso l'Università del Texas a San Antonio. Risultati descritti nella rivista Chimica analitica ha mostrato che il primo dispositivo ha rilevato con precisione gli anticorpi IgG in 60 secondi utilizzando un piccolo campione (solo un ng/ml) di antigeni e anticorpi acquistati in laboratorio.

Beskok e Chiao hanno spostato la loro attenzione sul rilevamento degli anticorpi COVID-19 una volta iniziata la pandemia globale. Loro e due SMU Ph.D. da allora gli studenti hanno apportato modifiche al dispositivo. Ad esempio, hanno apportato modifiche all'apparecchiatura elettronica utilizzata per leggere il chip, in modo che il test possa essere eseguito ovunque tramite uno smartphone.

Hanno anche aggiunto un metodo di rilevamento aggiuntivo per misurare la quantità di ciascun tipo di anticorpo:IgG, IgM, o IgA:si trova in un campione. Ciò consente ai medici di monitorare meglio il recupero di una persona da COVID-19, ha detto Chiao. A causa del passaggio di rilevamento aggiuntivo, Beskok stima che ci vorranno dai due ai tre minuti prima che qualcuno che utilizzi i test lab-on-a-chip per il rilevamento del COVID ottenga risultati sul proprio smartphone.

Il prossimo passo nella ricerca sarà testare la sensibilità e la specificità del dispositivo utilizzando campioni di plasma umano acquistati in laboratorio addizionati di anticorpi e anticorpi acquistati in laboratorio. Beskok e Chiao testeranno quindi il dispositivo sul plasma di pazienti COVID effettivi prima che venga reso disponibile al pubblico.

Il gold standard per il test anticorpale è il test di immunoassorbimento enzimatico, o ELISA. Questi test richiedono che una persona entri in un laboratorio per farsi prelevare il sangue, e in genere impiegano due giorni per ottenere i risultati.

"Esistono altre tecniche per rilevare rapidamente gli anticorpi senza utilizzare costose apparecchiature di laboratorio, ma soffrono di sensibilità, precisione, e problemi di coerenza, " disse Chiao.

La precisione e la velocità del laboratorio su un chip sono attribuibili, in parte, a diverse innovazioni. Uno di questi è l'uso di flussi elettrotermici a corrente alternata (ACET) per portare gli anticorpi nel plasma sanguigno più vicino alle superfici dei sensori nel chip, in modo che possano essere rilevati.

"Un'analogia con ACET è questa:pensa all'utilizzo di un ventilatore per forzare l'aria a passare in un filtro. Il filtro può catturare più polvere e particelle nell'aria in questo modo, " Beskok ha detto. "Allo stesso modo, ACET consente agli anticorpi nel plasma sanguigno di essere catturati in modo più efficiente e rilevati dal nostro dispositivo".

Beskok e Chiao stimano che il costo dello strumento elettronico per leggere il chip sarebbe di circa $ 15 a $ 20. Il costo della cartuccia usa e getta, che è dove andrebbe una goccia di sangue, sarebbe probabilmente inferiore a $ 1.

"Il nostro obiettivo finale è quello di creare quantificabili, preciso, veloce, e metodi diagnostici economici basati sulla rilevazione di IgG umane, IgM, e anticorpi IgA. Questo attualmente non esiste, e avrebbe un impatto profondo e significativo sul mondo, visto l'effetto devastante che questa pandemia di coronavirus ha avuto, " disse Chiao.