Un enfoque novedoso para detectar la presencia del virus que causa la COVID-19 puede conducir a pruebas que sean más rápidas, menos costosas y potencialmente menos propensas a resultados erróneos que los métodos de detección existentes. Aunque el trabajo, basado en efectos cuánticos, todavía es teórico, estos detectores podrían adaptarse potencialmente para detectar prácticamente cualquier virus, dicen los investigadores.

El nuevo enfoque se describe en un artículo publicado el jueves en la revista Nano Letters , de Changhao Li, estudiante de doctorado del MIT; Paola Cappellaro, profesora de ciencias e ingeniería nuclear y de física; y Rouholla Soleyman y Mohammad Kohandel de la Universidad de Waterloo.

Las pruebas existentes para el virus SARS-CoV-2 incluyen pruebas rápidas que detectan proteínas virales específicas y pruebas de reacción en cadena de la polimerasa (PCR) que tardan varias horas en procesarse. Ninguna de estas pruebas puede cuantificar la cantidad de virus presente con alta precisión. Incluso las pruebas de PCR estándar de oro pueden tener tasas de falsos negativos de más del 25 por ciento. Por el contrario, el análisis del equipo muestra que la nueva prueba podría tener tasas de falsos negativos por debajo del 1 por ciento. La prueba también podría ser lo suficientemente sensible como para detectar solo unos pocos cientos de cadenas de ARN viral, en solo un segundo.

El nuevo enfoque hace uso de defectos a escala atómica en pequeños trozos de diamante, conocidos como centros de vacantes de nitrógeno (NV). Estos pequeños defectos son extremadamente sensibles a las perturbaciones diminutas, gracias a los efectos cuánticos que tienen lugar en la red cristalina del diamante, y están siendo explorados para una amplia variedad de dispositivos de detección que requieren alta sensibilidad.

El nuevo método implicaría recubrir los nanodiamantes que contienen estos centros NV con un material que está acoplado magnéticamente a ellos y ha sido tratado para unirse solo con la secuencia de ARN específica del virus. Cuando el ARN del virus está presente y se une a este material, interrumpe la conexión magnética y provoca cambios en la fluorescencia del diamante que se detectan fácilmente con un sensor óptico basado en láser.

El sensor utiliza solo materiales de bajo costo (los diamantes involucrados son más pequeños que motas de polvo), y los dispositivos podrían ampliarse para analizar un lote completo de muestras a la vez, dicen los investigadores. El recubrimiento a base de gadolinio con sus moléculas orgánicas sintonizadas con ARN se puede producir mediante procesos y materiales químicos comunes, y los láseres que se utilizan para leer los resultados son comparables a los punteros láser verdes comerciales baratos y ampliamente disponibles.

Si bien este trabajo inicial se basó en simulaciones matemáticas detalladas que demostraron que el sistema puede funcionar en principio, el equipo continúa trabajando para traducirlo en un dispositivo funcional a escala de laboratorio para confirmar las predicciones. "No sabemos cuánto tiempo tomará hacer la demostración final", dice Li. Su plan es primero hacer una prueba de laboratorio básica de prueba de principio y luego trabajar en formas de optimizar el sistema para que funcione en aplicaciones reales de diagnóstico de virus.

El proceso multidisciplinario requiere una combinación de experiencia en física e ingeniería cuánticas, para producir los propios detectores, y en química y biología, para desarrollar las moléculas que se unen al ARN viral y encontrar formas de unirlas a las superficies de diamante.

Incluso si surgen complicaciones al traducir el análisis teórico en un dispositivo que funcione, dice Cappellaro, hay un margen tan grande de falsos negativos más bajos previstos a partir de este trabajo que probablemente seguirá teniendo una gran ventaja sobre las pruebas de PCR estándar en ese sentido. E incluso si la precisión fuera la misma, este método aún tendría una gran ventaja al producir sus resultados en cuestión de minutos, en lugar de requerir varias horas, dice ella.

El método básico se puede adaptar a cualquier virus, dice, incluidos los nuevos que puedan surgir, simplemente adaptando los compuestos que se adjuntan a los sensores de nanodiamantes para que coincidan con el material genérico del virus objetivo específico.

"El enfoque propuesto es atractivo tanto por su generalidad como por su simplicidad tecnológica", dice David Glenn, científico investigador sénior de Quantum Diamond Technologies Inc., que no participó en este trabajo. "En particular, la técnica de detección totalmente óptica y sensible que se describe aquí requiere una instrumentación mínima en comparación con otros métodos que emplean centros de vacantes de nitrógeno", dice.

Agrega que para su empresa, "estamos muy entusiasmados con el uso de sensores cuánticos basados ​​en diamantes para construir herramientas poderosas para el diagnóstico biomédico. No hace falta decir que seguiremos con gran interés a medida que las ideas presentadas en este trabajo se traduzcan en el laboratorio." + Explora más

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Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.