Usando nanotubos de carbono especializados, los ingenieros del MIT han diseñado un sensor novedoso que puede detectar el SARS-CoV-2 sin anticuerpos, dando un resultado en minutos. Su nuevo sensor se basa en tecnología que puede generar rápidamente diagnósticos rápidos y precisos, no solo para COVID-19 sino para futuras pandemias, dicen los investigadores.

"Una prueba rápida significa que puede abrir los viajes mucho antes en una pandemia futura. Puede evaluar a las personas que bajan de un avión y determinar si deben ponerse en cuarentena o no. De manera similar, podría evaluar a las personas que ingresan a su lugar de trabajo y así sucesivamente", dice. Michael Strano, profesor de ingeniería química Carbon P. Dubbs en el MIT y autor principal del estudio. "Todavía no contamos con tecnología que pueda desarrollar e implementar dichos sensores lo suficientemente rápido como para evitar pérdidas económicas".

El diagnóstico se basa en la tecnología de sensor de nanotubos de carbono que el laboratorio de Strano ha desarrollado previamente. Una vez que los investigadores comenzaron a trabajar en un sensor COVID-19, les tomó solo 10 días identificar un nanotubo de carbono modificado capaz de detectar selectivamente las proteínas virales que estaban buscando, y luego probarlo e incorporarlo en un prototipo funcional. Este enfoque también elimina la necesidad de anticuerpos u otros reactivos cuya generación, purificación y disponibilidad generalizada requieren mucho tiempo.

La postdoctoral del MIT, Sooyeon Cho, y la estudiante graduada Xiaojia Jin son los autores principales del artículo, que aparece hoy en Analytical Chemistry. . Otros autores incluyen a los estudiantes graduados del MIT Sungyun Yang y Jianqiao Cui, y al posdoctorado Xun Gong.

Reconocimiento molecular

Hace varios años, el laboratorio de Strano desarrolló un enfoque novedoso para diseñar sensores para una variedad de moléculas. Su técnica se basa en nanotubos de carbono:cilindros huecos de un nanómetro de espesor hechos de carbono que emiten fluorescencia de forma natural cuando se exponen a la luz láser. Han demostrado que al envolver dichos tubos en diferentes polímeros, pueden crear sensores que responden a moléculas objetivo específicas reconociéndolas químicamente.

Su enfoque, conocido como reconocimiento molecular de fase corona (CoPhMoRe), aprovecha un fenómeno que ocurre cuando ciertos tipos de polímeros se unen a una nanopartícula. Conocidas como polímeros anfifílicos, estas moléculas tienen regiones hidrofóbicas que se adhieren a los tubos como anclas y regiones hidrofílicas que forman una serie de bucles que se extienden desde los tubos.

Esos bucles forman una capa llamada corona que rodea el nanotubo. Dependiendo de la disposición de los bucles, diferentes tipos de moléculas objetivo pueden encajar en los espacios entre los bucles, y esta unión del objetivo altera la intensidad o la longitud de onda máxima de la fluorescencia producida por el nanotubo de carbono.

A principios de este año, Strano e InnoTech Precision Medicine, un desarrollador de diagnósticos con sede en Boston, recibieron una subvención de los Institutos Nacionales de Salud para crear un sensor CoPhMoRe para las proteínas del SARS-CoV-2. Los investigadores del laboratorio de Strano ya habían desarrollado estrategias que les permiten predecir qué polímeros anfifílicos interactuarán mejor con una molécula objetivo en particular, por lo que pudieron generar rápidamente un conjunto de 11 candidatos fuertes para el SARS-CoV-2.

Aproximadamente 10 días después de comenzar el proyecto, los investigadores identificaron sensores precisos tanto para la nucleocápside como para la proteína espiga del virus SARS-CoV-2. Durante ese tiempo, también pudieron incorporar los sensores en un dispositivo prototipo con una punta de fibra óptica que puede detectar cambios de fluorescencia de la muestra de biofluido en tiempo real. Esto elimina la necesidad de enviar la muestra a un laboratorio, lo cual se requiere para la prueba de diagnóstico PCR estándar de oro para COVID-19.

Este dispositivo produce un resultado en unos cinco minutos y puede detectar concentraciones tan bajas como 2,4 picogramos de proteína viral por mililitro de muestra. En experimentos más recientes realizados después de la presentación de este documento, los investigadores lograron un límite de detección más bajo que las pruebas rápidas que ahora están disponibles comercialmente.

Los investigadores también demostraron que el dispositivo podía detectar la proteína de la nucleocápside del SARS-CoV-2 (pero no la proteína del pico) cuando se disuelve en la saliva. La detección de proteínas virales en la saliva suele ser difícil porque la saliva contiene carbohidratos pegajosos y moléculas de enzimas digestivas que interfieren con la detección de proteínas, razón por la cual la mayoría de los diagnósticos de COVID-19 requieren hisopos nasales.

"Este sensor muestra el rango más alto de límite de detección, tiempo de respuesta y compatibilidad con la saliva incluso sin ningún anticuerpo ni diseño de receptor", dice Cho. "Es una característica única de este tipo de esquema de reconocimiento molecular que es posible un diseño y una prueba rápidos, sin obstáculos por el tiempo de desarrollo y los requisitos de la cadena de suministro de un anticuerpo convencional o un receptor enzimático".

Respuesta rápida

La velocidad con la que los investigadores pudieron desarrollar un prototipo funcional sugiere que este enfoque podría resultar útil para desarrollar diagnósticos más rápidamente durante futuras pandemias, dice Strano.

"Podemos pasar de alguien que nos entrega marcadores virales a un sensor de fibra óptica que funciona en un período de tiempo extremadamente corto", dice.

Los sensores que se basan en anticuerpos para detectar proteínas virales, que forman la base de muchas de las pruebas rápidas de COVID-19 ahora disponibles, tardan mucho más en desarrollarse porque el proceso de diseñar el anticuerpo de proteína correcto lleva mucho tiempo.

Los investigadores solicitaron una patente sobre la tecnología con la esperanza de que pueda comercializarse para su uso como diagnóstico de COVID-19. Strano también espera desarrollar aún más la tecnología para que pueda implementarse rápidamente en respuesta a futuras pandemias. + Explora más

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