Utilizzando nanotubi di carbonio specializzati, gli ingegneri del MIT hanno progettato un nuovo sensore in grado di rilevare SARS-CoV-2 senza anticorpi, fornendo un risultato in pochi minuti. Il loro nuovo sensore si basa su una tecnologia in grado di generare rapidamente una diagnostica rapida e accurata, non solo per COVID-19 ma per future pandemie, affermano i ricercatori.

"Un test rapido significa che puoi aprire i viaggi molto prima in una futura pandemia. Puoi controllare le persone che scendono da un aereo e determinare se devono essere messe in quarantena o meno. Allo stesso modo potresti controllare le persone che entrano nel loro posto di lavoro e così via", afferma Michael Strano, il Professore di Ingegneria Chimica Carbon P. Dubbs al MIT e autore senior dello studio. "Non disponiamo ancora di una tecnologia in grado di sviluppare e implementare tali sensori abbastanza velocemente da prevenire perdite economiche".

La diagnostica si basa sulla tecnologia dei sensori a nanotubi di carbonio che il laboratorio di Strano ha precedentemente sviluppato. Una volta che i ricercatori hanno iniziato a lavorare su un sensore COVID-19, ci sono voluti solo 10 giorni per identificare un nanotubo di carbonio modificato in grado di rilevare selettivamente le proteine ​​virali che stavano cercando, quindi testarlo e incorporarlo in un prototipo funzionante. Questo approccio elimina anche la necessità di anticorpi o altri reagenti che richiedono molto tempo per essere generati, purificati e resi ampiamente disponibili.

Il post-dottorato del MIT Sooyeon Cho e la studentessa laureata Xiaojia Jin sono gli autori principali del documento, che appare oggi in Chimica analitica . Altri autori includono gli studenti laureati del MIT Sungyun Yang e Jianqiao Cui e il postdottorato Xun Gong.

Riconoscimento molecolare

Diversi anni fa, il laboratorio di Strano ha sviluppato un nuovo approccio alla progettazione di sensori per una varietà di molecole. La loro tecnica si basa su nanotubi di carbonio:cilindri cavi e spessi nanometri realizzati in carbonio che emettono naturalmente fluorescenza se esposti alla luce laser. Hanno dimostrato che avvolgendo tali tubi in diversi polimeri, possono creare sensori che rispondono a specifiche molecole bersaglio riconoscendole chimicamente.

Il loro approccio, noto come Corona Phase Molecular Recognition (CoPhMoRe), sfrutta un fenomeno che si verifica quando alcuni tipi di polimeri si legano a una nanoparticella. Conosciute come polimeri anfifilici, queste molecole hanno regioni idrofobiche che si agganciano ai tubi come ancore e regioni idrofile che formano una serie di anelli che si estendono lontano dai tubi.

Questi anelli formano uno strato chiamato corona che circonda il nanotubo. A seconda della disposizione dei loop, diversi tipi di molecole target possono incunearsi negli spazi tra i loop e questo legame del target altera l'intensità o la lunghezza d'onda di picco della fluorescenza prodotta dal nanotubo di carbonio.

All'inizio di quest'anno, Strano e InnoTech Precision Medicine, uno sviluppatore di diagnostica con sede a Boston, hanno ricevuto una sovvenzione dal National Institutes of Health per creare un sensore CoPhMoRe per le proteine ​​SARS-CoV-2. I ricercatori del laboratorio di Strano avevano già sviluppato strategie che consentono loro di prevedere quali polimeri anfifilici interagiranno meglio con una particolare molecola bersaglio, quindi sono stati in grado di generare rapidamente una serie di 11 forti candidati per SARS-CoV-2.

Entro circa 10 giorni dall'inizio del progetto, i ricercatori avevano identificato sensori accurati sia per il nucleocapside che per la proteina spike del virus SARS-CoV-2. Durante quel periodo, sono stati anche in grado di incorporare i sensori in un dispositivo prototipo con una punta in fibra ottica in grado di rilevare i cambiamenti di fluorescenza del campione di biofluido in tempo reale. Ciò elimina la necessità di inviare il campione a un laboratorio, necessario per il test diagnostico PCR gold standard per COVID-19.

Questo dispositivo produce un risultato in circa cinque minuti e può rilevare concentrazioni fino a 2,4 picogrammi di proteine ​​virali per millilitro di campione. In esperimenti più recenti condotti dopo la presentazione di questo documento, i ricercatori hanno raggiunto un limite di rilevamento inferiore rispetto ai test rapidi ora disponibili in commercio.

I ricercatori hanno anche mostrato che il dispositivo potrebbe rilevare la proteina nucleocapside SARS-CoV-2 (ma non la proteina spike) quando è stata dissolta nella saliva. Il rilevamento delle proteine ​​virali nella saliva è solitamente difficile perché la saliva contiene carboidrati appiccicosi e molecole di enzimi digestivi che interferiscono con il rilevamento delle proteine, motivo per cui la maggior parte della diagnostica COVID-19 richiede tamponi nasali.

"Questo sensore mostra la gamma più alta di limite di rilevamento, tempo di risposta e compatibilità della saliva anche senza alcun design di anticorpi e recettori", afferma Cho. "È una caratteristica unica di questo tipo di schema di riconoscimento molecolare che la progettazione e il test rapidi sono possibili, senza ostacoli per i tempi di sviluppo e i requisiti della catena di approvvigionamento di un anticorpo convenzionale o di un recettore enzimatico."

Risposta rapida

La velocità con cui i ricercatori sono stati in grado di sviluppare un prototipo funzionante suggerisce che questo approccio potrebbe rivelarsi utile per sviluppare più rapidamente la diagnostica durante future pandemie, afferma Strano.

"Siamo in grado di passare da qualcuno che ci consegna marcatori virali a un sensore a fibra ottica funzionante in un lasso di tempo estremamente breve", afferma.

I sensori che si basano sugli anticorpi per rilevare le proteine ​​virali, che costituiscono la base di molti dei test rapidi COVID-19 ora disponibili, richiedono molto più tempo per essere sviluppati perché il processo di progettazione dell'anticorpo proteico giusto richiede molto tempo.

I ricercatori hanno depositato un brevetto sulla tecnologia nella speranza che possa essere commercializzata per l'uso come diagnostico COVID-19. Strano spera anche di sviluppare ulteriormente la tecnologia in modo che possa essere implementata rapidamente in risposta a future pandemie. + Esplora ulteriormente

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