Mentre il lancio del vaccino nazionale contro il COVID-19 in Australia continua e incombe la minaccia di varianti globali nuove ed esistenti, il test rapido rimane essenziale per l'identificazione, tracciamento dei contatti e contenimento dell'infezione.

Il nostro team di ricerca, con il supporto dei nostri collaboratori australiani, stanno per completare una ricerca durata un anno per sviluppare quantità commerciali di nanoparticelle magnetiche di provenienza locale, un ingrediente chiave mancante per un kit di test COVID-19 completamente realizzato in Australia.

Mentre i test anticorpali (usati nella maggior parte dei centri di analisi australiani) possono mostrare quali persone sono già state esposte e hanno sviluppato una risposta immunitaria, I test della reazione a catena della polimerasi (PCR) sono il gold standard per determinare se una persona è attualmente infetta.

Molti australiani, e in effetti molte persone in tutto il mondo, avrà familiarità con il "test del tampone" per il COVID-19".

Test COVID:dietro le quinte

La parte che non vedi poi accade è in laboratorio, dove i tecnici analizzano il campione per l'RNA, il materiale genetico di SARS-CoV-2, il virus che causa il COVID-19.

Una parte fondamentale di questo processo di laboratorio è la separazione del materiale genetico (noto come acido nucleico) dall'altro materiale biologico raccolto sul tampone. Ciò si ottiene utilizzando nanoparticelle di silice magnetica.

Queste nanoparticelle hanno in genere solo poche centinaia di nanometri (un milionesimo di millimetro) e sono costituite da un nucleo di materiale magnetico rivestito da un sottile guscio di silice (vetro), che vengono aggiunti a un flaconcino contenente la soluzione tampone.

Viene aggiunto un sale speciale che fa sì che tutti gli acidi nucleici del tampone si attacchino in modo reversibile al guscio di silice.

Poiché le nanoparticelle sono magnetiche, gli acidi nucleici possono ora essere raccolti e separati da tutti gli altri biomateriali indesiderati nel tampone utilizzando un semplice magnete.

Gli acidi nucleici purificati vengono quindi non legati dalle nanoparticelle di silice magnetica, e viene condotto un test PCR per verificare se è presente l'RNA del virus SARS-CoV-2.

L'ingrediente mancante

Quando è scoppiata la pandemia, però, le nanoparticelle di silice magnetica non venivano prodotte in Australia, e poiché non ci sono ancora produttori locali, I produttori di kit di test australiani sono tenuti a procurarseli dall'estero.

Il grande aumento della domanda globale di queste particelle ha fatto aumentare i costi, interrompere le catene di approvvigionamento, e limitare la disponibilità di sfere magnetiche ai produttori australiani di kit di test per tamponi.

Il governo australiano ha istituito una task force per il kit di test COVID, che nel marzo 2020, ha richiesto l'aiuto del nostro Laboratorio di Nanoscienze per aiutare a produrre localmente particelle di silice magnetica, costruire una fornitura garantita per almeno 100, 000 test COVID a settimana.

Ma c'erano alcuni problemi.

in primo luogo, le particelle commerciali sono prodotte all'estero tramite metodi proprietari che non sono disponibili al pubblico, quindi prima di poter creare una fornitura australiana, avremmo bisogno di trovare un nostro metodo per produrre nanoparticelle di silice magnetiche funzionanti.

Fortunatamente, presso l'ARC Center of Excellence in Exciton Science, abbiamo lavorato alla realizzazione di nanoparticelle magnetiche per altre applicazioni, inclusa la sintesi di punti quantici, così siamo stati in grado di progettare e testare rapidamente i metodi per realizzare un prodotto appropriato.

Produzione locale durante una pandemia

Il secondo problema era che era il 2020, ed eravamo a Melbourne. Con le severe restrizioni alla circolazione in vigore per la maggior parte dell'anno, quasi tutto il personale e gli studenti non sono stati in grado di frequentare il campus di Parkville dell'università.

Però, al nostro piccolo team di ricercatori è stato dato il permesso di occupare lo spazio nella Scuola di Chimica in gran parte deserta per affrontare questa importante sfida.

Il problema finale era di scala.

Ogni kit di test richiede circa cinque microgrammi di particelle di silice, e così per incontrare 100, 000 test a settimana, il nostro obiettivo iniziale era produrre 500 grammi di nanoparticelle magnetiche a settimana.

Avevamo il know-how chimico, ma per un laboratorio di ricerca abituato a fare piccole reazioni e a produrre meno di un grammo di prodotto, non abbiamo avuto accesso a tutte le attrezzature necessarie.

Per avere un'idea di quanto fosse grande questo problema, immagina che ti venga detto di preparare abbastanza sugo per la pasta per mille persone, nella tua cucina di casa.

Per ottenere questo enorme aumento di scala, abbiamo avviato collaborazioni con diverse aziende australiane tra cui Scaled Organics a Melbourne, che hanno messo a disposizione i loro reattori pilota per produrre le quantità di materiale di cui avevamo bisogno.

Il produttore di kit per test COVID con sede a Sydney, Genetic Signatures, è stato quindi in grado di verificare se ciascun lotto di nanoparticelle era adatto allo scopo in una situazione di test COVID reale.

Abbiamo anche avuto il supporto del Monash Center for Electron Microscopy e dell'Australian Synchrotron per lavorare sull'immagine di campioni commerciali delle nanoparticelle e confrontarli con i nostri lotti di prova.

Una ricetta semplice

La reazione doveva essere semplice e con relativamente pochi passaggi, al fine di ridurre al minimo i costi e altri ostacoli alla scalabilità.

In mesi di lunghe ore e lavoro 24 ore su 24, abbiamo identificato, ottimizzato, verificato e scalato una sintesi di nanoparticelle magnetiche rivestite di silice.

Ma c'è stato un intoppo.

Abbiamo notato un cambiamento di colore dei campioni di nanoparticelle poco dopo la sintesi, inducendo la speculazione che la struttura cristallina delle nanoparticelle si stava alterando da magnetite (Fe₃O₄) a maghemite (Fe₂O₃) nel tempo.

Riconoscendo l'importanza del progetto, l'Organizzazione australiana per la scienza e la tecnologia nucleare (ANSTO) ci ha concesso l'accesso prioritario alle loro apparecchiature più richieste, una linea di luce X-Ray Absorbance Spectroscopy (XAS) al sincrotrone australiano, per risolvere questa domanda.

Non è facile distinguere le due strutture cristalline in quanto molto simili, ma la spettroscopia di assorbimento dei raggi X può facilmente distinguerli. Dai risultati, abbiamo determinato che uno dei sali che stavamo aggiungendo alla miscela di reazione stava guidando la formazione di una struttura cristallina e non dell'altra (questi risultati saranno pubblicati in un secondo momento).

Siamo quindi riusciti a trovare la concentrazione di sale ottimale per produrre magnetite, che è preferibile in quanto è più magnetico del maghemite, e funziona meglio all'interno delle nanoparticelle finite.

Verso un test di fabbricazione australiana

Per sviluppare un prodotto in grado di eguagliare offerte commerciali estere equivalenti, abbiamo eseguito oltre 500 esperimenti con piccoli lotti per ottimizzare ogni elemento della produzione, compreso lo spessore del rivestimento di silice, i rapporti e le concentrazioni dei reagenti, e anche diversi metodi di purificazione.

Soggetto a verifica in test clinici, le nostre nanoparticelle potrebbero presto essere utilizzate per fornire nanoparticelle di silice magnetica per un kit di test COVID-19 prodotto in Australia, mentre continuiamo ad affrontare le sfide di questa emergenza sanitaria globale senza precedenti.