un veloce, tecnica a basso costo per vedere e contare virus o proteine ​​da un campione in tempo reale, senza sostanze chimiche o coloranti, potrebbe essere alla base di una nuova classe di dispositivi per la diagnostica rapida e il monitoraggio della carica virale, compreso l'HIV e il virus che causa il COVID-19.

I ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign hanno descritto la tecnica, chiamato microscopia a diffusione interferometrica del risonatore fotonico, o PRISMA, nel diario Comunicazioni sulla natura .

"Abbiamo sviluppato una nuova forma di microscopia che amplifica l'interazione tra luce e materiali biologici. Possiamo usarla per forme molto rapide e sensibili di test diagnostici, e anche come uno strumento molto potente per comprendere i processi biologici alla scala dei singoli elementi, come contare singole proteine ​​o registrare singole interazioni proteiche, " ha detto il leader dello studio Brian Cunningham, la cattedra Intel Alumni Endowed di ingegneria elettrica e informatica e membro dell'Holonyak Micro and Nanotechnology Lab e del Carl R. Woese Institute for Genomic Biology dell'Illinois.

Nei microscopi ottici, la luce rimbalza su qualsiasi molecola o virus che incontra su un vetrino, creando un segnale. Invece di un normale vetrino, la tecnica PRISM utilizza il cristallo fotonico:una superficie di vetro nanostrutturata che riflette brillantemente solo una lunghezza d'onda della luce. Il gruppo di Cunningham ha progettato e fabbricato un cristallo fotonico che riflette la luce rossa, in modo che la luce di un laser rosso sarebbe amplificata.

"Le molecole che stiamo esaminando, in questo studio, virus e piccole proteine, sono estremamente piccole. Non possono disperdere abbastanza luce per creare un segnale che può essere rilevato da un microscopio ottico convenzionale, " ha detto lo studente laureato Nantao Li, il primo autore del saggio. "Il vantaggio dell'utilizzo del cristallo fotonico è che amplifica l'intensità della luce, quindi è più facile rilevare quei segnali e ci consente di studiare queste proteine ​​e virus senza etichette chimiche o coloranti che potrebbero modificare il loro stato naturale o ostacolare la loro attività:possiamo basta usare il segnale di dispersione intrinseco come indicatore per determinare se quelle molecole sono presenti."

I ricercatori hanno verificato la loro tecnica rilevando il virus che causa il COVID-19. PRISM ha rilevato singoli coronavirus mentre attraversavano la superficie del vetrino. I ricercatori hanno anche utilizzato PRISM per rilevare singole proteine ​​come la ferritina e il fibrinogeno. La tecnica potrebbe consentire ai ricercatori di studiare tali bersagli biologici nei loro stati naturali, osservando come le proteine ​​interagiscono, per esempio, oppure i ricercatori potrebbero seminare la superficie del vetrino a cristalli fotonici con anticorpi o altre molecole per catturare gli oggetti mirati e tenerli in posizione.

"Ci vogliono 10 secondi per ottenere una misurazione, e in quel momento possiamo contare il numero di virus catturati sul sensore, " Ha detto Cunningham. "Si tratta di un metodo di rilevamento in un unico passaggio che funziona a temperatura ambiente. è anche veloce, molto sensibile e a basso costo. È molto diverso dal modo standard in cui eseguiamo i test virali ora, che comporta la rottura dei virus, estraendo il loro materiale genetico e sottoponendolo a un processo di amplificazione chimica in modo da poterlo rilevare. Quel metodo, chiamato PCR, è preciso e sensibile, ma ci vuole tempo, attrezzature specializzate e tecnici qualificati."

Il gruppo di Cunningham sta lavorando per incorporare la tecnologia PRISM in dispositivi portatili, dispositivi di diagnostica rapida per il monitoraggio della carica virale di COVID-19 e HIV. Il gruppo sta esplorando prototipi di dispositivi che incorporano filtri per campioni di sangue e persino camere di condensazione per test del respiro.

"Lo useremo anche come strumento di ricerca per la biologia e il cancro, " Ha detto Cunningham. "Possiamo usarlo per comprendere le interazioni proteiche che sono parti dei processi patologici. Siamo interessati a usarlo per rilevare queste minuscole vescicole rilasciate dalle cellule cancerose, e per vedere da quali tessuti provengono, per la diagnosi, e anche per studiare quale carico stanno trasportando dalle cellule cancerose".