I ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI e dell'Università di Basilea hanno sviluppato un test rapido per COVID-19. Il suo nuovo principio funzionale promette risultati affidabili e quantificabili riguardanti la malattia COVID-19 di un paziente e il suo decorso, nonché prove riguardanti altre malattie e varianti COVID che potrebbero essere presenti. Prima che possa essere ampiamente utilizzato, tuttavia, deve ancora essere sottoposto a ulteriori test e ottimizzazioni. I ricercatori riferiscono del loro sviluppo sulla rivista ACS Applied Nanomaterials.

Una delle principali carenze dei test antigenici rapidi, come dimostrato da un recente studio condotto da un gruppo di ricerca guidato da Heinrich Scheiblauer del Paul Ehrlich Institute tedesco, è la loro mancanza di affidabilità. Dei 122 kit di test di diversi produttori che sono stati testati per lo studio, un quinto ha fallito e non ha nemmeno soddisfatto il requisito minimo di identificare il 75% dei soggetti con un'elevata carica virale come positivi al coronavirus. Un altro inconveniente:i test dicono solo se il soggetto ha l'infezione o meno. Non forniscono informazioni sul decorso dell'infezione o sulla reazione immunitaria dei soggetti del test.

Ora un nuovo test sviluppato al PSI - che, a differenza dei test antigenici, non rileva direttamente i componenti del virus, ma piuttosto gli anticorpi che il sistema immunitario produce in risposta all'infezione - promette di apportare un potere predittivo sostanzialmente maggiore ai test rapidi. È altrettanto economico, veloce e facile da usare e può anche essere utilizzato per identificare contemporaneamente una varietà di agenti patogeni, come quelli responsabili dell'influenza. "Quindi, fornisce anche più dati rispetto ai precedenti test rapidi anticorpali che vengono utilizzati per determinare se qualcuno ha già avuto un'infezione da coronavirus", afferma Yasin Ekinci, capo del Laboratory for X-ray Nanoscience and Technologies presso PSI, responsabile di il progetto per sviluppare il nuovo test.

L'elemento centrale del test è una piccola lastra rettangolare di normale plexiglas, simile a un vetrino da microscopio. È costituito da uno strato inferiore dello spessore di un millimetro e da uno strato superiore con uno spessore di 0,2 millimetri. I ricercatori hanno modellato un rilievo nella parte inferiore utilizzando la litografia a fascio di elettroni, un processo estremamente preciso per la fresatura di materiali solidi utilizzati, ad esempio, nella produzione di chip per computer. Una volta che il modello master è stato prodotto in questo modo, i ricercatori lo hanno combinato con la cosiddetta litografia a nanoimpronta, che accelera notevolmente il processo di fabbricazione e ne riduce i costi.

Microstruttura multifunzionale

Con lo strato più sottile di plexiglas come copertura, la lastra ha ora tre canali paralleli attraverso i quali un fluido può fluire da un'estremità all'altra. Ognuno di questi è largo 300 micrometri (0,3 millimetri) e alto 3,4 micrometri all'ingresso. All'uscita, i canali sono cinque volte più larghi ma alti solo un micrometro. Lungo un tratto intermedio, il canale si restringe a pochi micrometri di larghezza e ad un certo punto è alto solo 0,8 micrometri, circa 100 volte più sottile dei capelli umani.

"Questa speciale struttura del canale serve a più scopi contemporaneamente", afferma Thomas Mortelmans, dottorando presso l'Istituto svizzero di nanoscienza dell'Università di Basilea e primo autore dello studio. Mortelmans ha svolto le sue ricerche presso il Laboratory for X-ray Nanoscience and Technologies del PSI. Per prima cosa, assicura un forte effetto capillare, come l'azione familiare dei tessuti dei condotti che trasportano l'acqua dalle radici alle chiome degli alberi. Non è richiesta alcuna pompa. La forza risulta dalla tensione interfacciale tra il liquido e la superficie solida. Praticamente aspira l'acqua attraverso gli stretti passaggi. Esattamente la stessa cosa accade con i canali del plexiglas, tranne per il fatto che al posto dell'acqua scorre una goccia di sangue.

Quello che è fondamentale per il test è un passaggio in cui l'altezza del canale scende da 3,4 micrometri a 0,8. In quella che i ricercatori chiamano la regione di cattura, le particelle precedentemente aggiunte al sangue rimangono bloccate in posizioni predefinite, a seconda di quali agenti patogeni sono presenti nel sangue. Per il test, spiega Mortelmans, un soggetto andrebbe da un medico o da un centro di test. Lì, una piccola goccia di sangue viene prelevata con una punta del dito, come in un esame della glicemia. Nel sangue viene mescolato un liquido in cui sono sospese speciali nanoparticelle artificiali. La loro superficie ha la stessa struttura delle famigerate proteine ​​spike del virus SARS-CoV-2, a cui si agganciano gli anticorpi umani quando combattono la malattia. Inoltre, vengono aggiunte piccole particelle fluorescenti che si attaccano agli anticorpi SARS-CoV-2 negli esseri umani.

Ciò significa che se nel sangue sottoposto a test sono presenti anticorpi contro SarsCoV-2, le particelle fluorescenti si attaccano prima ad essi; insieme si legano quindi alle strutture simili a virus delle nanoparticelle significativamente più grandi e si bloccano, insieme a loro, nei punti predefiniti corrispondenti al diametro delle nanoparticelle. "È lì che il canale è alto esattamente 2,8 micrometri", afferma Mortelmans. Qui le nanoparticelle si accumulano, con gli anticorpi umani e le loro appendici luminose ancorate ad esse. Se la piastra viene posta sotto un microscopio a fluorescenza, il segnale luminoso è visibile. Più anticorpi ha formato il paziente, più luminoso è; più chiaro è il segnale, più forte è la reazione immunitaria. È così che il COVID-19 può essere diagnosticato chiaramente. "Inoltre, puoi utilizzare la potenza del segnale per vedere se il sistema immunitario sta reagendo bene e ci si può aspettare un decorso lieve, o se potrebbe essere una reazione eccessiva, il che significa che c'è il rischio di complicazioni", spiega Mortelmans.

Un test rapido con molte possibilità

Non vi è alcun rischio che il canale venga bloccato da altre particelle nel sangue. I virus stessi hanno una dimensione di circa 0,12 micrometri e scorrono senza resistenza. Solo i globuli rossi accanto alle nanoparticelle sono più grandi della parte più stretta del canale. "All'inizio del nostro progetto di sviluppo, hanno effettivamente causato problemi", afferma Mortelmans. "Ma abbiamo ottimizzato il canale in modo che ora sfuggano". I ricercatori hanno sfruttato il fatto che le cellule sono flessibili e comprimibili:"La forza capillare ora è così grande che spreme le cellule del sangue attraverso ogni restringimento del canale".

Il test apre ancora più possibilità oltre alla diagnosi di COVID-19. Inoltre, nanoparticelle di diverse dimensioni e con diverse strutture superficiali potrebbero essere mescolate nel sangue per consentire test simultanei per altre malattie. Nello studio, Mortelmans lo ha fatto usando particelle la cui superficie corrisponde ai virus dell'influenza A. Negli esperimenti, si sono illuminati due punti nella regione di cattura:uno per il COVID-19 e uno per l'influenza.

Inoltre, è possibile identificare diversi anticorpi che il sistema immunitario produce nei diversi stadi della malattia. Ad esempio, si potrebbero utilizzare particelle fluorescenti verdi che si attaccano solo agli anticorpi che compaiono nella fase iniziale dell'infezione e particelle fluorescenti rosse per gli anticorpi prodotti dal sistema immunitario nelle fasi successive. "Il test può essere esteso in molti modi", afferma Mortelmans. "Potremmo, ad esempio, testare dieci diverse malattie contemporaneamente senza problemi e utilizzare anche quattro colori". Naturalmente, il numero di canali potrebbe anche essere aumentato per testare ancora più varianti. In linea di principio, il secondo e il terzo canale servono solo a confermare il risultato del primo. Tuttavia, potrebbero anche essere utilizzati per eseguire diversi test. "In linea di principio, abbiamo un sistema simile a Lego, in cui puoi combinare diversi componenti", afferma il project manager Yasin Ekinci.

I ricercatori hanno iniziato il loro lavoro sul nuovo test poco dopo l'inizio della pandemia di coronavirus. "All'epoca stavamo lavorando a un test diagnostico per il Parkinson", afferma Ekinci. "Quando la pandemia ha preso piede, ci siamo chiesti come noi, come istituto di ricerca, potremmo contribuire a superarla". Tuttavia, lo sviluppo ha richiesto più tempo perché il test è così nuovo, perché all'inizio si sapeva poco del virus e perché anche i campioni dei pazienti erano difficili da ottenere.

Per lo studio, il dispositivo è stato testato con 29 campioni di sangue, di cui 19 provenienti da persone infette e 10 da persone non infette. Ad eccezione di un caso falso negativo, il test è sempre stato corretto. Anche questo è stato identificato durante il test di follow-up. "Ovviamente abbiamo bisogno di fare molti più test per fare una solida affermazione sull'affidabilità e c'è ancora molto margine di miglioramento. Ma è molto promettente", afferma Ekinci.

Inoltre, il test dovrebbe diventare ancora più facile da eseguire. "Stiamo lavorando per renderlo altrettanto facile da fare con la saliva invece che con il sangue", riferisce Mortelmans. "Vogliamo anche essere in grado di utilizzare la fotocamera di un telefono cellulare invece di un microscopio per leggere i segnali. I dispositivi moderni ora sono in grado di farlo". Tale test richiede attualmente tra 10 e 30 minuti. Ma è anche possibile farlo in due minuti; è attualmente in fase di ottimizzazione con tale obiettivo. "La nostra visione è una tecnologia", afferma Ekinci, "con la quale possiamo diagnosticare contemporaneamente diverse malattie e varianti di COVID e influenza in modo affidabile, rapido ed economico tramite telefono cellulare. Il nostro nuovo concetto è in grado di renderlo realtà". + Esplora ulteriormente

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