En los últimos cuatro años, muchos de nosotros nos hemos acostumbrado a introducir un hisopo en la nariz para realizar la prueba de COVID-19, a utilizar pruebas rápidas de antígenos caseras o las pruebas de PCR más precisas que se proporcionan en las clínicas y que requieren un tiempo de procesamiento más largo. Ahora, una nueva herramienta de diagnóstico desarrollada por el distinguido profesor de ingeniería eléctrica e informática de UC Santa Cruz, Holger Schmidt, y sus colaboradores pueden realizar pruebas de detección de SARS-CoV-2 y virus Zika con la misma o mejor precisión que las pruebas de PCR de alta precisión en cuestión de horas. .
En un artículo publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences Schmidt y el equipo del proyecto describen su sistema, que combina optofluidos y tecnología de nanoporos para crear un sistema de diagnóstico de laboratorio en un chip. El éxito del equipo con modelos animales les hace tener la esperanza de que esta tecnología pueda ser una innovación importante para el futuro del diagnóstico rápido.
"Esto podría convertirse en el próximo gran sistema de diagnóstico", afirmó Aaron Hawkins, profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Universidad Brigham Young y autor principal del artículo. "Te enfermas, vas al hospital o al médico, y sus pruebas dependen de esta tecnología. Hay un camino donde esto podría instalarse allí mismo [en un hospital o clínica], por lo que no tendrías que esperar para obtener tu resultados."
Esta investigación es el resultado de una larga colaboración entre Schmidt, Hawkins y el profesor Jean Patterson del Instituto de Investigación Biomédica de Texas.
Si bien las pruebas de PCR son actualmente el estándar de oro en cuanto a precisión para las pruebas de virología, el método se queda corto en varios aspectos. Las pruebas de PCR son muy complejas y requieren reacciones químicas que deben ser realizadas por operadores capacitados, generalmente en un laboratorio central, y a veces tardan días en obtener los resultados de las pruebas. Estas reacciones complejas son necesarias para la amplificación del ADN o ARN viral, un proceso de creación de múltiples copias del material genético que puede introducir y amplificar errores.
Las pruebas de PCR también pueden detectar únicamente ácidos nucleicos, el material que forma el ADN y el ARN. Pero en el caso de algunas enfermedades, puede resultar increíblemente útil detectar otros biomarcadores como las proteínas.
La nueva herramienta de diagnóstico resuelve ambos problemas. Requiere poca preparación de la muestra y no contiene amplificación ni etiquetas, esto último significa que no utiliza luz para identificar biomarcadores. Esto reduce drásticamente el tiempo y la complejidad del proceso de diagnóstico.
"El potencial es enorme", dijo Patterson. "La idea de que no es necesario amplificar para obtener resultados precisos es un gran avance, al igual que la PCR fue un increíble paso adelante cuando apareció".
El nuevo sistema de diagnóstico combina la especialidad de Schmidt en optofluídica, que consiste en el control de pequeñas cantidades de fluidos con haces de luz, con un nanoporo para contar ácidos nucleicos individuales para leer material genético. La herramienta fue diseñada para detectar los virus Zika y COVID-19, que han sido particularmente relevantes desde el punto de vista médico en los últimos años y áreas prioritarias para los Institutos Nacionales de Salud.
"Construimos un sistema simple de laboratorio en un chip que puede realizar pruebas a nivel miniatura con la ayuda de microfluidos, chips de silicio y tecnologías de detección de nanoporos", dijo Mohammad Julker Neyen Sampad, estudiante graduado de Schmidt y primer autor del artículo. autor. "Nuestro objetivo era desarrollar herramientas sencillas, sencillas y con pocos recursos, y creo que lo hemos conseguido".
Para realizar la prueba, se mezcla una muestra de biofluido en un recipiente con microperlas magnéticas. Para este estudio, los investigadores utilizaron biofluidos que incluyen saliva y sangre de babuinos y titíes del Instituto de Investigación Biomédica de Texas.
Las microperlas están diseñadas con una secuencia de ARN coincidente con la enfermedad que la prueba está diseñada para detectar. Por ejemplo, si se trata de una prueba de detección de COVID-19, las microperlas tendrán hebras de ARN del SARS-CoV-2. Si hay virus SARS-CoV-2 presente en la muestra, el ARN del virus se unirá a las perlas. Después de un breve período de espera, el investigador tira las perlas magnéticas hasta el fondo del recipiente y lava todo lo demás.
Las perlas se colocan en un chip de microfluidos de silicio diseñado y fabricado por el grupo de Hawkins, donde fluyen a través de un canal largo y delgado cubierto por una membrana ultrafina, cuyo diseño Hawkins llama un "milagro de la ingeniería". Las cuentas quedan atrapadas en un haz de luz que las empuja contra una pared del canal, que contiene un nanoporo, una pequeña abertura de sólo 20 nanómetros de ancho; en comparación, un cabello humano tiene entre 80.000 y 100.000 nanómetros de ancho.
Los investigadores aplican calor al chip, lo que hace que las partículas de ARN se desprendan de las perlas y sean absorbidas por el nanoporo, que detecta que el ARN del virus está presente.
Sus pruebas demostraron que la prueba detectó correctamente el virus para cada muestra que la prueba de PCR pudo detectar, incluso en concentraciones extremadamente bajas del virus. Hubo casos en los que la prueba de PCR no pudo detectar un caso de uno de los virus, mientras que el sistema de Schmidt sí lo hizo, lo que demuestra que su sistema puede ser más preciso que la PCR.
En general, el sistema de microfluidos es mucho más pequeño y menos complejo que una máquina de PCR. Si este concepto se lanza al mercado como producto, su tamaño compacto podría caber fácilmente en el laboratorio de un investigador, lo que permitiría resultados mucho más rápidos para las pruebas de virología, aumentaría la accesibilidad de las pruebas y aceleraría el tiempo para obtener resultados de días a horas.
"Si construimos un instrumento a partir de este sistema, un investigador podría tenerlo en el laboratorio de nivel 4 de bioseguridad, donde nunca sale de la habitación, y simplemente se puede colocar un poco de muestra de líquido y ejecutar la prueba en una hora". Dijo Schmidt. "Creo que eso ayudaría a acelerar las pruebas."
La prueba se realizó con seis biofluidos diferentes, incluida saliva, sangre e hisopos de garganta, que pueden contener diferentes cargas virales. Esto puede permitir a los investigadores estudiar mejor cómo pasan las enfermedades por el cuerpo de diferentes animales.
Si bien en la etapa actual la prueba se desarrolló para detectar los virus SARS-CoV-2 y Zika, los investigadores podrían hacer ajustes para encontrar cualquier virus del que tengan una muestra genética. En futuros desarrollos, planean simplificar y minimizar aún más el sistema, además de permitirle realizar pruebas para múltiples tipos de enfermedades a la vez, una característica llamada multiplexación de enfermedades.
Schmidt también tiene la intención de utilizar este concepto para desarrollar herramientas de diagnóstico para biomarcadores de cáncer y otras condiciones de salud que dejan rastros de ADN/ARN o proteínas en el cuerpo. Probablemente pasarán algunos años antes de que este concepto se comercialice y llegue al mercado.
Más información: Sampad, Mohammad Julker Neyen, Cuantificación de ARN viral sin etiquetas y sin amplificación a partir de biofluidos de primates utilizando una plataforma de nanoporos optofluídicos asistida por captura, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI:10.1073/pnas.2400203121. doi.org/10.1073/pnas.2400203121
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por la Universidad de California - Santa Cruz
