A medida que continúa el lanzamiento nacional de la vacuna COVID-19 de Australia y se avecina la amenaza de variantes globales nuevas y existentes, las pruebas rápidas siguen siendo esenciales para la identificación, rastreo de contactos y contención de la infección.

Nuestro equipo de investigación, con el apoyo de nuestros colaboradores australianos, están cerca de completar una búsqueda de un año para desarrollar cantidades comerciales de nanopartículas magnéticas de origen local, un ingrediente clave que falta en un kit de prueba COVID-19 totalmente fabricado en Australia.

Si bien las pruebas de anticuerpos (utilizadas en la mayoría de los centros de pruebas australianos) pueden mostrar qué personas ya han estado expuestas y han desarrollado una respuesta inmunitaria, Las pruebas de reacción en cadena de la polimerasa (PCR) son el estándar de oro para determinar si una persona está actualmente infectada.

Muchos australianos, y de hecho mucha gente en todo el mundo, Estará familiarizado con la prueba del hisopo COVID-19 '. Primero se limpia una punta de algodón alrededor de la parte posterior de la garganta y luego se inserta profundamente en ambas fosas nasales, una sensación extraña y desagradable.

Pruebas COVID:detrás de escena

La parte que no ves que sucede es en el laboratorio, donde los técnicos analizan la muestra en busca de ARN, el material genético del SARS-CoV-2, el virus causante del COVID-19.

Una parte fundamental de este proceso de laboratorio es separar el material genético (conocido como ácido nucleico) del resto del material biológico recogido en el hisopo. Esto se logra utilizando nanopartículas magnéticas de sílice.

Estas nanopartículas suelen tener un tamaño de solo unos pocos cientos de nanómetros (una millonésima de milímetro) y consisten en un núcleo de material magnético recubierto con una capa delgada de sílice (vidrio), que se añaden a un vial que contiene la solución de hisopo.

Se agrega una sal especial que hace que todos los ácidos nucleicos del hisopo se adhieran reversiblemente a la capa de sílice.

Debido a que las nanopartículas son magnéticas, Los ácidos nucleicos ahora se pueden recolectar y separar de todos los demás biomateriales no deseados en el hisopo usando un simple imán.

Los ácidos nucleicos purificados se liberan de las nanopartículas de sílice magnética, y se realiza una prueba de PCR para comprobar si hay presencia de ARN del virus del SARS-CoV-2.

El ingrediente que falta

Cuando la pandemia golpeó, sin embargo, Las nanopartículas de sílice magnética no se estaban produciendo en Australia, y como todavía no hay productores locales, Los fabricantes de kits de prueba australianos deben obtenerlos del extranjero.

El enorme aumento de la demanda mundial de estas partículas ha aumentado los costos, interrumpir las cadenas de suministro, y limitar la disponibilidad de perlas magnéticas para los fabricantes australianos de kits de prueba con hisopo.

El gobierno australiano estableció un grupo de trabajo del kit de prueba COVID, que en marzo de 2020, solicitó la ayuda de nuestro Laboratorio de Nanociencia para ayudar a producir partículas de sílice magnética localmente, construir un suministro garantizado para al menos 100, 000 pruebas de COVID por semana.

Pero hubo algunos problemas.

Primeramente, Las partículas comerciales se producen en el extranjero a través de métodos patentados que no están disponibles públicamente. así que antes de que pudiéramos crear un suministro australiano, tendríamos que idear nuestro propio método para producir nanopartículas de sílice magnética que funcionen.

Afortunadamente, en el ARC Center of Excellence in Exciton Science, hemos estado trabajando en la fabricación de nanopartículas magnéticas para otras aplicaciones, incluida la síntesis de puntos cuánticos, así que pudimos diseñar y probar rápidamente métodos para hacer un producto apropiado.

Producción local durante una pandemia

El segundo problema fue que era 2020, y estábamos en Melbourne. Con las severas restricciones de movimiento vigentes durante la mayor parte del año, casi todo el personal y los estudiantes no pudieron asistir al campus de Parkville de la Universidad.

Sin embargo, Nuestro pequeño equipo de investigadores recibió permiso para ocupar un espacio en la Escuela de Química, en gran parte desierta, para hacer frente a este importante desafío.

El problema final fue de escala.

Cada kit de prueba requiere aproximadamente cinco microgramos de partículas de sílice, y así cumplir con 100, 000 pruebas por semana, Nuestro objetivo inicial era producir 500 gramos de nanopartículas magnéticas por semana.

Teníamos el conocimiento químico, pero para un laboratorio de investigación que está acostumbrado a hacer pequeñas reacciones y producir menos de un gramo de producto, no teníamos acceso a todo el equipo necesario.

Para tener una idea de la magnitud de este problema, Imagínese que le digan que haga suficiente salsa para pasta para mil personas, en la cocina de su casa.

Para lograr este enorme aumento de escala, Establecimos colaboraciones con varias empresas australianas, incluida Scaled Organics en Melbourne, quienes pusieron a disposición sus reactores piloto para producir las cantidades de material que necesitábamos.

El fabricante de kits de prueba COVID con sede en Sydney, Genetic Signatures, pudo verificar si cada lote de nanopartículas era adecuado para su propósito en una situación real de prueba COVID.

También contamos con el apoyo del Centro Monash de Microscopía Electrónica y el Sincrotrón de Australia para trabajar en la obtención de imágenes de muestras comerciales de las nanopartículas y compararlas con nuestros lotes de prueba.

Una receta sencilla

La reacción tenía que ser simple y con relativamente pocos pasos, con el fin de minimizar los costos y otras barreras a la escalabilidad.

Durante meses de largas horas y trabajo las veinticuatro horas del día, Nosotros identificamos, optimizado verificado y ampliado una síntesis de nanopartículas magnéticas recubiertas de sílice.

Pero hubo un problema.

Notamos un cambio en el color de las muestras de nanopartículas poco después de la síntesis, lo que provocó la especulación de que la estructura cristalina de las nanopartículas se estaba alterando de magnetita (Fe₃O₄) a maghemita (Fe₂O₃) con el tiempo.

Reconociendo la importancia del proyecto, la Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear (ANSTO) nos dio acceso prioritario a sus equipos en demanda, una línea de luz de espectroscopia de absorbancia de rayos X (XAS) en el sincrotrón australiano, para resolver esta cuestión.

No es fácil distinguir las dos estructuras cristalinas ya que son muy similares, pero la espectroscopia de absorción de rayos X puede distinguirlos fácilmente. De los resultados, determinamos que una de las sales que estábamos agregando a la mezcla de reacción impulsaba la formación de una estructura cristalina y no la otra (estos resultados se publicarán en una fecha posterior).

Entonces pudimos encontrar la concentración de sal óptima para producir magnetita, que es preferible porque es más magnético que la maghemita, y funciona mejor dentro de las nanopartículas terminadas.

Hacia una prueba de fabricación australiana

Para desarrollar un producto capaz de igualar las ofertas comerciales equivalentes en el extranjero, hemos realizado más de 500 experimentos con lotes pequeños para optimizar cada elemento de la producción, incluido el espesor del revestimiento de sílice, las proporciones y concentraciones de los reactivos, e incluso diferentes métodos de purificación.

Sujeto a verificación en pruebas clínicas, Nuestras nanopartículas pronto podrían usarse para suministrar nanopartículas de sílice magnética para un kit de prueba COVID-19 fabricado en Australia, a medida que continuamos a la altura de los desafíos de esta emergencia sanitaria mundial sin precedentes.