A medida que la pandemia de COVID-19 continúa propagándose por todo el mundo, las pruebas siguen siendo una estrategia clave para rastrear y contener el virus. Estudiante de posgrado en bioingeniería, Maha Alafeef, ha co-desarrollado un rápido, prueba ultrasensible que utiliza un sensor electroquímico de papel que puede detectar la presencia del virus en menos de cinco minutos. El equipo dirigido por el profesor Dipanjan Pan informó sus hallazgos en ACS Nano .

"En la actualidad, estamos experimentando un evento que cambia la vida una vez en un siglo, ", dijo Alafeef." Estamos respondiendo a esta necesidad global desde un enfoque holístico mediante el desarrollo de herramientas multidisciplinarias para la detección temprana, el diagnóstico y el tratamiento del SARS-CoV-2 ".

Hay dos categorías amplias de pruebas COVID-19 en el mercado. La primera categoría utiliza la reacción en cadena de la polimerasa en tiempo real con transcriptasa inversa (RT-PCR) y estrategias de hibridación de ácidos nucleicos para identificar el ARN viral. Las pruebas de diagnóstico actuales aprobadas por la FDA utilizan esta técnica. Algunos inconvenientes incluyen la cantidad de tiempo que lleva completar la prueba, la necesidad de personal especializado y la disponibilidad de equipos y reactivos.

La segunda categoría de pruebas se centra en la detección de anticuerpos. Sin embargo, puede haber un retraso de unos días a algunas semanas después de que una persona ha estado expuesta al virus para que produzca anticuerpos detectables.

En años recientes, Los investigadores han tenido cierto éxito con la creación de biosensores en el punto de atención utilizando nanomateriales 2-D como el grafeno para detectar enfermedades. Las principales ventajas de los biosensores basados ​​en grafeno son su sensibilidad, bajo costo de producción y respuesta rápida de detección. "El descubrimiento del grafeno abrió una nueva era en el desarrollo de sensores debido a sus propiedades. El grafeno exhibe propiedades mecánicas y electroquímicas únicas que lo hacen ideal para el desarrollo de sensores electroquímicos sensibles, ", dijo Alafeef. El equipo creó un biosensor electroquímico basado en grafeno con una configuración de lectura eléctrica para detectar selectivamente la presencia de material genético SARS-CoV-2.

Este biosensor tiene dos componentes:una plataforma para medir una lectura eléctrica y sondas para detectar la presencia de ARN viral. Para crear la plataforma, Los investigadores primero recubrieron papel de filtro con una capa de nanoplaquetas de grafeno para crear una película conductora. Luego, colocaron un electrodo de oro con un diseño predefinido encima del grafeno como una almohadilla de contacto para la lectura eléctrica. Tanto el oro como el grafeno tienen una alta sensibilidad y conductividad, lo que hace que esta plataforma sea ultrasensible para detectar cambios en las señales eléctricas.

Las pruebas actuales de COVID-19 basadas en ARN detectan la presencia del gen N (fosfoproteína de la nucleocápsida) en el virus SARS-CoV-2. En esta investigación, el equipo diseñó sondas de oligonucleótidos antisentido (ASO) para apuntar a dos regiones del gen N. Dirigirse a dos regiones asegura la confiabilidad del senor en caso de que una región sufra una mutación genética. Es más, las nanopartículas de oro (AuNP) están cubiertas con estos ácidos nucleicos monocatenarios (ssDNA), que representa una sonda de detección ultrasensible para el ARN del SARS-CoV-2.

Los investigadores mostraron previamente la sensibilidad de las sondas de detección desarrolladas en su trabajo anterior publicado en ACS Nano . La hibridación del ARN viral con estas sondas provoca un cambio en la respuesta eléctrica del sensor. Las tapas de AuNP aceleran la transferencia de electrones y cuando se transmiten sobre la plataforma de detección, da como resultado un aumento en la señal de salida e indica la presencia del virus.

El equipo probó el rendimiento de este sensor utilizando muestras positivas y negativas de COVID-19. El sensor mostró un aumento significativo en el voltaje de las muestras positivas en comparación con las negativas y confirmó la presencia de material genético viral en menos de cinco minutos. Es más, el sensor pudo diferenciar las cargas de ARN viral en estas muestras. La carga viral es un indicador cuantitativo importante del progreso de la infección y un desafío para medir utilizando los métodos de diagnóstico existentes.

Esta plataforma tiene aplicaciones de gran alcance debido a su portabilidad y bajo costo. El sensor cuando se integra con microcontroladores y pantallas LED o con un teléfono inteligente a través de Bluetooth o wifi, podría usarse en el punto de atención en el consultorio de un médico o incluso en el hogar. Más allá de COVID-19, el equipo de investigación también prevé que el sistema sea adaptable para la detección de muchas enfermedades diferentes.

"El potencial ilimitado de la bioingeniería siempre ha despertado mi mayor interés con sus innovadoras aplicaciones traslacionales, ", Dijo Alafeef." Estoy feliz de ver que mi proyecto de investigación tiene un impacto en la resolución de un problema del mundo real. Finalmente, Me gustaría agradecer a mi Ph.D. profesor asesor Dipanjan Pan por su apoyo sin fin, científico investigador Dr. Parikshit Moitra, y al asistente de investigación Ketan Dighe por su ayuda y contribución al éxito de este estudio ".