Un nuovo strumento che utilizza una matrice simile a una foresta di nanotubi di carbonio allineati verticalmente che possono essere finemente sintonizzati per intrappolare selettivamente i virus in base alle loro dimensioni, può aumentare la soglia di rilevamento dei virus e accelerare il processo di identificazione dei virus emergenti. La ricerca, da un team interdisciplinare di scienziati della Penn State, è pubblicato il 7 ottobre Edizione 2016 della rivista Progressi scientifici .

"Rilevare i virus all'inizio di un'infezione prima che compaiano i sintomi, o da campioni di campo, è difficile perché la concentrazione dei virus potrebbe essere molto bassa, spesso al di sotto della soglia degli attuali metodi di rilevamento, " disse Mauricio Terrones, professore di fisica, chimica, e scienza e ingegneria dei materiali alla Penn State, e uno dei corrispondenti autori della ricerca. "Il rilevamento precoce è importante perché un virus può iniziare a diffondersi prima che siamo in grado di rilevarlo. Il dispositivo che abbiamo sviluppato ci consente di intrappolare e concentrare selettivamente i virus in base alle loro dimensioni, più piccole delle cellule e dei batteri umani, ma più grande della maggior parte delle proteine ​​e di altre macromolecole, in campioni incredibilmente diluiti. Aumenta ulteriormente la nostra capacità di rilevare piccole quantità di virus di oltre cento volte".

Il team di ricerca ha sviluppato e testato un piccolo, dispositivo portatile che aumenta la sensibilità di rilevamento dei virus intrappolando e concentrando i virus in una serie di nanotubi di carbonio. I campioni diluiti raccolti dai pazienti o dall'ambiente vengono fatti passare attraverso un filtro per rimuovere particelle di grandi dimensioni come batteri e cellule umane, quindi attraverso la matrice di nanotubi di carbonio nel dispositivo. I virus rimangono intrappolati e si accumulano a concentrazioni utilizzabili all'interno della foresta di nanotubi, mentre altre particelle più piccole passano e vengono eliminate. Il virus concentrato catturato nel dispositivo può quindi essere sottoposto a un pannello di test per identificarlo, compresa la diagnosi molecolare mediante reazione a catena della polimerasi (PCR), metodi immunologici, isolamento del virus, e sequenziamento del genoma.

"Poiché il nostro dispositivo isola e concentra i virus esclusivamente in base alle dimensioni, possiamo catturare virus di cui non sappiamo nulla dal punto di vista biologico, non abbiamo bisogno di alcun anticorpo o altra etichetta molecolare, " ha detto Terrones. "Una volta catturato e concentrato il virus, possiamo quindi utilizzare altre tecniche come il sequenziamento dell'intero genoma per caratterizzarlo".

"La maggior parte delle epidemie virali letali negli ultimi due decenni sono state causate da nuovi virus emergenti. Questa tecnologia di arricchimento del virus basata sulle dimensioni può essere particolarmente potente nell'identificazione dei virus emergenti e nella scoperta di nuovi virus che non hanno anticorpi e informazioni sulla sequenza disponibili, " disse Si-Yang Zheng, professore associato di ingegneria biomedica alla Penn State, l'altro autore corrispondente sulla carta. "Non solo la nostra nuova tecnologia arricchisce i virus di almeno cento volte, ma ma rimuove anche i contaminanti dell'ospite e dell'ambiente, e consente l'identificazione diretta del virus mediante il sequenziamento di nuova generazione da campioni raccolti sul campo senza coltura del virus".

Virus, come l'influenza, HIV/AIDS, Ebola, e Zika—può causare improvvisi, epidemie imprevedibili che portano a gravi crisi di salute pubblica. Le tecniche attualmente disponibili per isolare e identificare i virus che causano questi focolai sono lente, caro, e utilizzare attrezzature e reagenti che possono essere costosi, ingombrante, e richiedono uno stoccaggio specializzato. Inoltre, molti recenti focolai sono stati causati da virus emergenti per i quali non esistono modi stabiliti per isolarli selettivamente per l'identificazione e la caratterizzazione.

"Abbiamo sviluppato la tecnologia per far crescere una foresta di nanotubi e possiamo controllare la distanza tra i tronchi, " ha detto Zheng. "La distanza intertube può variare da circa 17 nanometri a oltre 300 nanometri per catturare selettivamente i virus. Le proprietà uniche della foresta di nanotubi di carbonio ci consentono di integrarla in un robusto, scalabile, e microdispositivo portatile che può essere adattato per l'uso sul campo senza la necessità di strumenti ingombranti e stoccaggio specializzato di reagenti."

I ricercatori hanno convalidato la capacità del loro dispositivo di nuova concezione di catturare virus da campioni diluiti utilizzando concentrazioni note di virus precedentemente identificati e campioni di campo di virus emergenti e sconosciuti. "Abbiamo sviluppato una piattaforma portatile per arricchire e isolare i virus in base alle loro dimensioni fisiche, " disse Yin-Ting Yeh, un ricercatore post-dottorato presso Penn State e primo autore del documento. "Questo approccio sintonizzabile basato sulle dimensioni fornisce un rapido arricchimento del virus direttamente dai campioni sul campo senza l'uso di anticorpi. Il dispositivo consente la diagnosi precoce di malattie emergenti e potenzialmente consente lo sviluppo di vaccini molto prima nel processo di un focolaio".