Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI y la Universidad de Basilea han desarrollado una prueba rápida para COVID-19. Su novedoso principio funcional promete resultados confiables y cuantificables sobre la enfermedad COVID-19 de un paciente y su curso, así como evidencia sobre otras enfermedades y variantes de COVID que pueden estar presentes. Sin embargo, antes de que pueda tener un uso generalizado, aún debe someterse a más pruebas y optimización. Los investigadores informan sobre su desarrollo en la revista ACS Applied Nanomaterials.

Una de las principales deficiencias de las pruebas rápidas de antígenos, como lo demuestra un estudio reciente realizado por un grupo de investigación dirigido por Heinrich Scheiblauer del Instituto alemán Paul Ehrlich, es su falta de confiabilidad. De los 122 kits de prueba de diferentes fabricantes que se probaron para el estudio, una quinta parte falló y ni siquiera cumplió con el requisito mínimo de identificar al 75 por ciento de los sujetos de prueba con una carga viral alta como positivos para el coronavirus. Otro inconveniente:las pruebas solo dicen si el sujeto tiene la infección o no. No proporcionan ninguna información sobre el curso de la infección o la reacción inmunitaria de los sujetos de prueba.

Ahora, una nueva prueba desarrollada en PSI, que, a diferencia de las pruebas de antígenos, no detecta directamente los componentes del virus, sino los anticuerpos que produce el sistema inmunitario en respuesta a la infección, promete brindar un poder predictivo sustancialmente mayor a las pruebas rápidas. Es igual de económico, rápido y fácil de usar, y también se puede utilizar para identificar simultáneamente una variedad de patógenos, como los responsables de la gripe. "Por lo tanto, también proporciona más datos que las pruebas rápidas de anticuerpos anteriores que se utilizan para determinar si alguien ya ha tenido una infección por coronavirus", dice Yasin Ekinci, jefe del Laboratorio de Nanociencia y Tecnologías de rayos X de PSI, quien fue responsable de el proyecto para desarrollar la nueva prueba.

El bloque de construcción central de la prueba es una pequeña placa rectangular de plexiglás común, similar a un portaobjetos de microscopio. Consta de una capa inferior de un milímetro de espesor y una capa superior de 0,2 milímetros de espesor. Los investigadores modelaron un relieve en la parte inferior utilizando litografía por haz de electrones, un proceso extremadamente preciso para moler materiales sólidos utilizados, por ejemplo, en la fabricación de chips de computadora. Una vez que se produjo la plantilla maestra de esta manera, los investigadores la combinaron con la llamada litografía de nanoimpresión, que acelera significativamente el proceso de fabricación y reduce su costo.

Microestructura multifuncional

Con la capa más delgada de plexiglás como cubierta, la placa ahora tiene tres canales paralelos a través de los cuales puede fluir un fluido de un extremo al otro. Cada uno de estos tiene 300 micrómetros (0,3 milímetros) de ancho y 3,4 micrómetros de alto en la entrada. En la salida, los canales son cinco veces más anchos pero de solo un micrómetro de alto. A lo largo de un tramo intermedio, el canal se estrecha a unos pocos micrómetros de ancho, y en un punto tiene solo 0,8 micrómetros de alto, aproximadamente 100 veces más delgado que el cabello humano.

"Esta estructura de canal especial sirve para varios propósitos a la vez", dice Thomas Mortelmans, candidato a doctorado en el Instituto Suizo de Nanociencia de la Universidad de Basilea y primer autor del estudio. Mortelmans llevó a cabo su investigación en el Laboratorio de nanociencia y tecnologías de rayos X de PSI. Por un lado, asegura un fuerte efecto capilar, como la acción familiar de los tejidos conductores que transportan el agua desde las raíces hasta las copas de los árboles. No se requiere bomba. La fuerza resulta de la tensión interfacial entre el líquido y la superficie sólida. Prácticamente succiona el agua a través de los estrechos pasajes. Precisamente lo mismo sucede con los canales en el plexiglás, excepto que en lugar de agua, una gota de sangre fluye a través de él.

Lo que es crucial para la prueba es un pasaje en el que la altura del canal cae de 3,4 micrómetros a 0,8. En lo que los investigadores llaman la región de captura, las partículas añadidas previamente a la sangre quedan atrapadas en lugares predefinidos, según los patógenos que estén presentes en la sangre. Para la prueba, explica Mortelmans, un sujeto acudiría a un médico oa un centro de pruebas. Allí, se toma una pequeña gota de sangre con un pinchazo en el dedo, como en una prueba de azúcar en la sangre. Un líquido en el que se suspenden nanopartículas artificiales especiales se mezcla con la sangre. Su superficie tiene la misma estructura que las notorias proteínas de punta del virus SARS-CoV-2, a las que se acoplan los anticuerpos humanos cuando luchan contra la enfermedad. Además, se agregan pequeñas partículas fluorescentes que se adhieren a los anticuerpos contra el SARS-CoV-2 en humanos.

Esto significa que si hay anticuerpos contra SarsCoV-2 en la sangre que se analiza, las partículas fluorescentes primero se adhieren a ellos; juntos se unen a las estructuras similares a virus de las nanopartículas significativamente más grandes y se atascan, junto con ellas, en los lugares predefinidos correspondientes al diámetro de las nanopartículas. "Ahí es donde el canal tiene exactamente 2,8 micrómetros de alto", dice Mortelmans. Aquí se acumulan las nanopartículas, con los anticuerpos humanos y sus apéndices brillantes acoplados a ellas. Si la placa se coloca bajo un microscopio de fluorescencia, la señal de luz es visible. Cuantos más anticuerpos haya formado el paciente, más brillante será; cuanto más clara sea la señal, más fuerte será la reacción inmunológica. Así es como se puede diagnosticar claramente el COVID-19. "Además, puede usar la intensidad de la señal para ver si el sistema inmunitario está reaccionando bien y se puede esperar un curso leve, o si podría estar reaccionando de forma exagerada, lo que significa que existe el riesgo de complicaciones", explica Mortelmans.

Una prueba rápida con muchas posibilidades

No hay riesgo de que el canal quede bloqueado por otras partículas en la sangre. Los virus en sí solo tienen un tamaño de alrededor de 0,12 micrómetros y fluyen sin resistencia. Solo los glóbulos rojos junto a las nanopartículas son más grandes que la parte más estrecha del canal. "Al comienzo de nuestro proyecto de desarrollo, en realidad causaron problemas", dice Mortelmans. "Pero hemos optimizado el canal para que ahora se escapen". Los investigadores aprovecharon el hecho de que las células son flexibles y comprimibles:"La fuerza capilar ahora es tan grande que aprieta las células sanguíneas a través de cada estrechamiento del canal".

La prueba abre aún más posibilidades más allá del diagnóstico de COVID-19. Además, las nanopartículas de diferentes tamaños y con diferentes estructuras superficiales podrían mezclarse con la sangre para permitir la detección simultánea de otras enfermedades. En el estudio, Mortelmans hizo esto utilizando partículas cuya superficie corresponde a los virus de la influenza A. En los experimentos, se iluminaron dos puntos en la región de captura:uno para COVID-19 y otro para la gripe.

Además, es posible identificar diferentes anticuerpos que produce el sistema inmunitario en diferentes etapas de la enfermedad. Por ejemplo, se podrían usar partículas fluorescentes verdes que solo se adhieren a los anticuerpos que aparecen en la fase inicial de la infección, y partículas fluorescentes rojas para los anticuerpos producidos por el sistema inmunitario en etapas posteriores. "La prueba se puede extender de muchas maneras", dice Mortelmans. "Podríamos, por ejemplo, probar diez enfermedades diferentes a la vez sin ningún problema y usar cuatro colores también". Por supuesto, la cantidad de canales también podría aumentarse para probar aún más variantes. En principio, el segundo y tercer canal solo están ahí para confirmar el resultado del primero. Sin embargo, también podrían utilizarse para realizar diferentes pruebas. "En principio, aquí tenemos un sistema similar a Lego, en el que puedes combinar diferentes componentes", dice el director del proyecto, Yasin Ekinci.

Los investigadores comenzaron su trabajo en la nueva prueba poco después del comienzo de la pandemia de coronavirus. "Estábamos trabajando en una prueba de diagnóstico para el Parkinson en ese momento", dice Ekinci. “Cuando se apoderó de la pandemia, nos preguntamos cómo nosotros, como instituto de investigación, podíamos contribuir a superarla”. Sin embargo, el desarrollo llevó más tiempo porque la prueba es muy novedosa, porque al principio se sabía poco sobre el virus y porque las muestras de los pacientes también eran difíciles de obtener.

Para el estudio, el dispositivo se probó con 29 muestras de sangre, 19 de las cuales procedían de personas infectadas y 10 de personas no infectadas. Con la excepción de un caso de falso negativo, la prueba siempre fue correcta. Esto también se identificó durante la prueba de seguimiento. "Por supuesto que necesitamos hacer muchas más pruebas para hacer una declaración sólida sobre la confiabilidad, y todavía hay mucho margen de mejora. Pero es muy prometedor", dice Ekinci.

Además, la prueba debería ser aún más fácil de realizar. "Estamos trabajando para que sea igual de fácil hacerlo con saliva en lugar de con sangre", informa Mortelmans. "También queremos poder usar la cámara de un teléfono móvil en lugar de un microscopio para leer las señales. Los dispositivos modernos ahora son capaces de hacer esto". Tal prueba actualmente toma entre 10 y 30 minutos. Pero también será posible hacerlo en dos minutos; actualmente se está optimizando con ese objetivo. "Nuestra visión es una tecnología", dice Ekinci, "con la que podamos diagnosticar simultáneamente varias enfermedades y variantes de COVID y gripe de manera confiable, rápida y económica a través del teléfono móvil. Nuestro novedoso concepto es capaz de hacer esto realidad". + Explora más

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