Negli ultimi quattro anni, molti di noi si sono abituati a fare un tampone sul naso per testare il COVID-19, utilizzando test antigenici rapidi a domicilio o test PCR più accurati forniti dalla clinica con un tempo di elaborazione più lungo. Ora un nuovo strumento diagnostico sviluppato dall’illustre professore di ingegneria elettrica e informatica dell’UC Santa Cruz Holger Schmidt e dai suoi collaboratori può testare il virus SARS-CoV-2 e Zika con la stessa o migliore precisione dei test PCR ad alta precisione in poche ore .
In un articolo sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences , Schmidt e il team del progetto descrivono il loro sistema, che combina optofluidica e tecnologia dei nanopori per creare un sistema diagnostico lab-on-a-chip. Il successo del team con i modelli animali li fa sperare che questa tecnologia possa rappresentare un'importante innovazione per il futuro della diagnostica rapida.
"Questo potrebbe trasformarsi nel prossimo grande sistema diagnostico", ha affermato Aaron Hawkins, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Brigham Young University e autore senior dell'articolo. "Ti ammali, vai in ospedale o dal dottore, e i loro test si basano su questa tecnologia. C'è un percorso in cui questo potrebbe essere installato proprio lì [in un ospedale o in una clinica], quindi non dovresti aspettare per ricevere il tuo risultati."
Questa ricerca è il risultato di una collaborazione di lunga data tra Schmidt, Hawkins e il professor Jean Patterson presso il Texas Biomedical Research Institute.
Sebbene i test PCR siano attualmente il gold standard di accuratezza per i test virologici, il metodo non è all’altezza in diversi modi. I test PCR sono estremamente complessi e richiedono reazioni chimiche che devono essere eseguite da operatori esperti, in genere presso un laboratorio centrale, a volte impiegando giorni per ottenere i risultati dei test. Queste reazioni complesse sono necessarie per l'amplificazione del DNA o dell'RNA virale, un processo di creazione di copie multiple del materiale genetico che può introdurre e amplificare l'errore.
I test PCR possono anche rilevare solo gli acidi nucleici, il materiale che costituisce DNA e RNA. Ma nel caso di alcune malattie può essere incredibilmente utile rilevare altri biomarcatori come le proteine.
Il nuovo strumento diagnostico risolve entrambi questi problemi. Richiede una minima preparazione del campione ed è completamente privo di amplificazione e di etichettatura, il che significa che non utilizza la luce per identificare i biomarcatori. Ciò riduce drasticamente i tempi e la complessità del processo di diagnosi.
"Il potenziale è enorme", ha detto Patterson. "L'idea che non sia necessario amplificare per ottenere risultati accurati è un enorme progresso, alla pari di come la PCR rappresentò un incredibile passo avanti quando venne lanciata."
Il nuovo sistema diagnostico combina l'area di competenza di Schmidt nell'optofluidica, che è il controllo di piccole quantità di fluidi con fasci di luce, con un nanoporo per il conteggio di singoli acidi nucleici per leggere il materiale genetico. Lo strumento è stato progettato per testare i virus Zika e COVID-19, che sono stati particolarmente rilevanti dal punto di vista medico negli ultimi anni e aree prioritarie per i National Institutes of Health.
"Abbiamo creato un semplice sistema lab-on-a-chip in grado di eseguire test a livello miniaturizzato con l'aiuto di microfluidica, chip di silicio e tecnologie di rilevamento dei nanopori", ha affermato Mohammad Julker Neyen Sampad, studente laureato di Schmidt e primo autore dell'articolo autore. "Il nostro obiettivo era lo sviluppo di strumenti semplici, facili e con poche risorse e credo che ci siamo riusciti."
Per eseguire il test, un campione di biofluido viene miscelato in un contenitore con microsfere magnetiche. Per questo studio, i ricercatori hanno utilizzato biofluidi tra cui saliva e sangue di babbuini e uistitì presso il Texas Biomedical Research Institute.
Le microsfere sono progettate con una sequenza di RNA corrispondente alla malattia che il test è progettato per rilevare. Ad esempio, se si tratta di un test di rilevamento del COVID-19, le microsfere conterranno filamenti di RNA SARS-CoV-2 su di esse. Se nel campione è presente il virus SARS-CoV-2, l'RNA del virus si legherà alle sfere. Dopo un breve periodo di attesa, il ricercatore trascina le sfere magnetiche sul fondo del contenitore e lava via tutto il resto.
Le sfere vengono inserite in un chip microfluidico in silicio progettato e fabbricato dal gruppo di Hawkins, dove scorrono attraverso un canale lungo e sottile coperto da una membrana ultrasottile, il cui design Hawkins definisce un "miracolo ingegneristico". Le perle rimangono intrappolate in un raggio di luce che le spinge contro una parete nel canale, che contiene un nanoporo, una minuscola apertura di soli 20 nanometri di diametro:per fare un confronto, un capello umano è largo circa 80.000-100.000 nanometri.
I ricercatori applicano calore al chip, che fa sì che le particelle di RNA si stacchino dalle sfere e vengano risucchiate nel nanoporo, che rileva la presenza dell'RNA del virus.
Le loro prove hanno dimostrato che il test ha rilevato correttamente il virus per ogni campione che il test PCR è stato in grado di rilevare, anche a concentrazioni estremamente basse del virus. Ci sono stati casi in cui il test PCR non è stato in grado di rilevare un caso di uno dei virus mentre il sistema di Schmidt sì, dimostrando che il loro sistema può essere più accurato della PCR.
Nel complesso, il sistema microfluidico è molto più piccolo e meno complesso di una macchina PCR. Se questo concetto venisse immesso sul mercato come prodotto, le sue dimensioni compatte potrebbero facilmente adattarsi al laboratorio di un ricercatore, consentendo risultati molto più rapidi per i test virologici, aumentando l'accessibilità dei test e accelerando i tempi per ottenere i risultati da giorni a ore.
"Se costruiamo uno strumento con questo sistema, un ricercatore potrebbe averlo nel laboratorio di livello di biosicurezza 4 dove non lascia mai la stanza, e puoi semplicemente inserire un po' di liquido campione ed eseguire il test in un'ora," Schmidt ha detto. "Penso che aiuterebbe ad accelerare i test."
Il test è stato eseguito con sei diversi biofluidi, inclusi saliva, sangue e tamponi faringei, che possono contenere diverse cariche virali. Ciò può consentire ai ricercatori di studiare meglio il modo in cui le malattie attraversano il corpo di diversi animali.
Mentre nella fase attuale il test è stato sviluppato per rilevare i virus SARS-CoV-2 e Zika, i ricercatori potrebbero apportare modifiche per trovare qualsiasi virus per il quale dispongono di un campione genetico. Negli sviluppi futuri, prevedono un'ulteriore semplificazione e minimizzazione del sistema, oltre a consentirgli di testare più tipi di malattie contemporaneamente, una funzionalità chiamata multiplexing della malattia.
Schmidt intende utilizzare questo concetto anche per sviluppare strumenti diagnostici per biomarcatori del cancro e altre condizioni di salute che lasciano tracce di DNA/RNA o proteine nel corpo. Probabilmente passeranno alcuni anni prima che questo concetto venga commercializzato e immesso sul mercato.
Ulteriori informazioni: Sampad, Mohammad Julker Neyen, Quantificazione dell'RNA virale senza etichetta e senza amplificazione da biofluidi di primati utilizzando una piattaforma di nanopori optofluidici assistita da intrappolamento, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2400203121. doi.org/10.1073/pnas.2400203121
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito dall'Università della California - Santa Cruz
