Rolul nanotehnologiei în dezvoltarea testelor pentru diagnosticarea SARS-CoV-2




Un articol publicat la începutul acestui an în jurnalul Nature Materials a analizat totalitatea metodelor imagistice, serologice și antigenice, aflate încă în cercetare sau deja aprobate pentru diagnosticarea infecției cu SARS-CoV-2. În momentul de față, printre principalele tehnici de identificare a virusului în rândul pacienților se numără: testarea RT-PCR, teste serologice de înaltă precizie și testul rapid antigenic Ellume COVID-19 Home.

Protocolul clinic de diagnostic implică combinarea tehnicii imagistice CT (computer tomograf) cu efectuarea unui test RT-PCR. Deși reprezintă standardul de aur, testul RT-PCR presupune o serie de limitări, precum timpul îndelungat până la aflarea rezultatului (între 4 și 6 ore – perioadă care nu include și transportul probelor până într-un laborator specializat), precum și variația rezultatului pozitiv în funcție de tipul de probă prelucrată (orofaringiană, nasofaringiană, spută etc.).

abonare

În ceea ce privește testele serologice de înaltă precizie (Elecsys Anti-SARS-CoV-2, Abbott), deși oferă rezultatul într-un timp foarte scurt, acestea nu pot fi folosite pentru a confirma direct diagnosticul pacientului, ci doar pentru a susține rezultatele obținute prin testarea RT-PCR.

Teste diagnostice SARS-CoV-2 bazate pe nanotehnologie

Luând în considerare limitările testelor de diagnostic deja existente, oamenii de știință lucrează continuu pentru a identifica o metodă sustenabilă, cu specificitate și precizie înaltă, care să poată oferi rezultate într-un timp cât mai scurt și care să poată fi folosită ușor și pe scală largă. Astfel, în prezent cercetările se concentrează pe implicarea nanotehnologiei în procesul de diagnostic, precum și pe dezvoltarea biosenzorilor cu precizie ridicată.

Diagnosticarea SARS-CoV-2 utilizând nanomateriale și biosenzori

Nanomaterialele reprezintă o categorie de materiale a căror dimensiune se încadrează în ordinul nanometrilor, care beneficiază de o suprafață specifică foarte mare datorită dimensiunilor reduse și ale căror proprietăți le recomandă drept variante alternative, rapide și precise, pentru testele RT-PCR.

1. Nanoparticule magnetice

Nanoparticulele magnetice (pe lângă aplicațiile pe care le pot avea în domeniul oncologic) în cazul infecției cu SARS-CoV-2, dacă sunt funcționalizate cu molecule biologice corespunzătoare, pot facilita extracția ARN-ului viral și astfel să fie folosite pentru până la 50.000 de teste diagnostice.

2. Puncte cuantice

Quantum dots (QDs, puncte cuantice) reprezintă nanomateriale care au toate cele trei dimensiuni (lungime, lățime, grosime) de ordin nanometric. Datorită fotostabilității, dimensiunii reduse și ușurinței cu care suprafața lor poate fi funcționalizată cu diverse molecule biologice, acestea s-au dovedit o alternativă de diagnostic ideală pentru studiul interacțiunii dintre proteina S și receptorul ACE2. Astfel de sisteme pot identifica atât anticorpi neutralizanți cât și proteine recombinante, nu numai pentru SARS-CoV-2, dar și pentru alte virusuri cu recunoaștere celulară mediată de proteina S.

Oamenii de știință au creat un astfel de test care are la bază QDs, mai exact o analiză colorimetrică bazată pe oligonucleotide antisens modificate cu gruparea tiol, conjugate cu nanoparticule de aur pentru detecția specifică a genei N (fosfoproteina nucleocapsidică) a virusului SARS-CoV-2. Rezultatele unui test diagnostic bazat pe această tehnologie ar putea veni în mai puțin de 10 minute.

3. Biosenzor FET (field-effect transistor)

Unul dintre cele mai studiate biomateriale în ceea ce privește alcătuirea biosenzorilor este grafena datorită suprafeței sale specifice mare și conductivității electronice pronunțate, dispozitivele care o conțin fiind caracterizate de o sensibilitate foarte mare.

Un astfel de biosenzor dezvoltat de oamenii de știință conține anticorpi anti-S, specifici infecției cu Covid-19, imobilizați pe o suprafață de grafenă, a permis detectarea proteinei spike în diverse condiții (antigen purificat, virus în cultură și probă nasofaringiană) cu o limită de detecție de 1 fb/mL în mediu fosfat salin și 100 fg/mL în mediu clinic de transport.

Biosenzori utilizați în diagnosticul SARS-CoV-2
Biosenzori utilizați în diagnosticul SARS-CoV-2. Sus: biosenzor pe bază de grafenă. Jos: biosenzor cu rezonanță plasmonică de suprafață și efect fototermic. Mai multe detalii: Diagnostics for SARS-CoV-2 infections

4. Metasenzor plasmonic

Comparativ cu senzorii optici sau cu alte astfel de tehnici de analiză, senzorii care utilizează plasmoni de suprafață dețin o sensibilitate înaltă și o specificitate ridicată pentru aplicații care urmăresc o detectare moleculară unică.

Oamenii de știință au dezvoltat un astfel de metasenzor (bazat pe nanoparticule de aur funcționalizate, conjugate cu anticorpul monoclonal spcific proteinei S) capabil să detecteze proteina virală S cu o precizie foarte ridicată. Avantajul acestor tipuri de senzori constă în viteza cu care pot analiza proba, precum și în sensibilitatea pe care o dețin.

5. Senzor cu rezonanță nanoplasmonică

Un senzor bazat tot pe ideea de plasmon a fost dezvoltat pentru detecția rapidă și directă a virusului SARS-CoV-2. Construcția dispozitivului presupune imobilizarea anticorpilor specifici virusului pe suprafața nanosenzorului, suprafață de care se vor lega particule intacte de coronavirus prin intermediul proteinei S. Acest lucru va declanșa rezonanța plasmonică și modificări ale intensității, aspecte care vor putea fi măsurate.

Punctele forte ale unui astfel de senzor constau în timpul de detecție foarte rapid (15 minute), costul foarte scăzut de fabricare, sensibilitate și specificitate ridicată, iar proba nu necesită nicio prelucrare anterioară.

6. Biosenzor cu rezonanță plasmonică de suprafață și efect fototermic

O metodă care s-ar putea dovedi eficientă pentru diagnosticarea clinică a SARS-CoV-2 presupune un senzor care combină efectul dual-funcțional plasmonic fototermic, cu rezonanța plasmonică de suprafață, localizată. Biosenzorul folosește nanoinsule 2D de aur, funcționalizate cu receptori ADN complementari și s-a dovedit eficient în detectarea secvențelor virale ale virusului, inclusiv RdRp-COVID, ORF1ab-COVID, precum și genele E ale SARS-Cov-2. Având două unghiuri de incidență (al biosenzorului plasmonic fototermic și al rezonanței plasmonice de suprafață), sistemul poate fi excitat la două lungimi de undă diferite.

Pe lângă precizia și specificitatea ridicată, un alt avantaj principal al senzorului constă în reducerea incidenței de rezultate fals pozitive în momentul testării.

7. Senzor cuplat cu inteligență artificială

Inteligența artificială, algoritmii și protocoalele de machine learning pot reprezenta aliați de nădejde în pandemia COVID-19, în ceea ce privește tehnicile de depistare precoce și diagnostic propriu-zis. Recent, FDA (Food and Drug Administration, SUA) a emis o autorizație de utilizare de urgență (EUA) pentru primul dispozitiv de screening (detectare precoce) non-diagnostic COVID-19 bazat pe machine learning.

În ceea ce privește dispozitivele care utilizează inteligența artificială, dar care încă se află în cercetare, oamenii de știință au dezvoltat un biosenzor pe bază de nanoparticule de aur, cuplat cu inteligența artificială, care poate detecta cu precizie compușii organici volatili prezenți în aerul expirat de o persoană infectată cu virusul SARS-CoV-2. Momentan, senzorul a fost testat doar pe o cohortă mică de subiecți.

Odată cu începutul pandemiei avansul tehnologic a făcut un salt uimitor, noi metode eficiente de screening, diagnostic și tratament fiind studiate în fiecare moment. Nanotehnologia, ajutată și de știința materialelor, deja nu mai este un concept de domeniul viitorului, iar aplicațiile acesteia nu vor înceta să se facă văzute în următoarea perioadă.

Citește și: