Nova ferramenta de diagnóstico atinge precisão dos testes PCR com sistema de nanoporos mais rápido e simples

Nos últimos quatro anos, muitos de nós habituámo-nos a uma zaragatoa no nariz para testar a COVID-19, utilizando testes rápidos de antigénio caseiros ou testes PCR mais precisos fornecidos pela clínica e com um tempo de processamento mais longo. Agora, uma nova ferramenta de diagnóstico desenvolvida pelo ilustre professor de engenharia elétrica e de computação da UC Santa Cruz, Holger Schmidt, e seus colaboradores pode testar o SARS-CoV-2 e o vírus Zika com a mesma ou melhor precisão que os testes PCR de alta precisão em questão de horas. .

Em um artigo na revista Anais da Academia Nacional de Ciências, Schmidt e a equipe do projeto descrevem seu sistema, que combina optofluídica e tecnologia de nanoporos para criar um sistema de diagnóstico lab-on-a-chip. O sucesso da equipe com modelos animais os deixa esperançosos de que esta tecnologia possa ser uma grande inovação para o futuro do diagnóstico rápido.

“Isso pode se transformar no próximo grande sistema de diagnóstico”, disse Aaron Hawkins, professor de Engenharia Elétrica e de Computação na Universidade Brigham Young e autor sênior do artigo. “Você fica doente, vai ao hospital ou ao médico, e os exames deles contam com essa tecnologia. Tem um caminho onde isso pode ser instalado ali mesmo [in a hospital or clinic]então você não teria que esperar para obter seus resultados.”

Esta pesquisa é resultado de uma colaboração de longa data entre Schmidt, Hawkins e o professor Jean Patterson do Texas Biomedical Research Institute.

Testes mais rápidos e precisos

Embora o teste PCR seja atualmente o padrão ouro de precisão para testes de virologia, o método é insuficiente em vários aspectos. Os testes PCR são altamente complexos e requerem reações químicas que devem ser realizadas por operadores qualificados, normalmente num laboratório central, às vezes demorando dias para obter os resultados dos testes. Estas reacções complexas são necessárias para a amplificação do ADN ou ARN viral, um processo de produção de múltiplas cópias do material genético que pode introduzir e amplificar erros.

Os testes de PCR também podem detectar apenas ácidos nucléicos, o material que constitui o DNA e o RNA. Mas no caso de algumas doenças, pode ser extremamente útil detectar outros biomarcadores, como proteínas.

A nova ferramenta de diagnóstico resolve ambos os problemas. Requer pouca preparação da amostra e é completamente livre de amplificação e de rótulos, o que significa que não utiliza luz para identificar biomarcadores. Isso reduz drasticamente o tempo e a complexidade do processo de diagnóstico.

“O potencial é enorme”, disse Patterson. “A ideia de que você não precisa amplificar para obter resultados precisos é um grande avanço, assim como o PCR foi um avanço incrível quando foi lançado”.

Projeto de diagnóstico

O novo sistema de diagnóstico combina a área de especialização de Schmidt em optofluídica, que é o controle de pequenas quantidades de fluidos com feixes de luz, com um nanoporo para contagem de ácidos nucleicos únicos para leitura de material genético. A ferramenta foi projetada para testar os vírus Zika e COVID-19, que têm sido particularmente relevantes do ponto de vista médico nos últimos anos e são áreas prioritárias para os Institutos Nacionais de Saúde.

“Construímos um sistema simples de laboratório em um chip que pode realizar testes em nível miniatura com a ajuda de microfluídica, chips de silício e tecnologias de detecção de nanoporos”, disse Mohammad Julker Neyen Sampad, aluno de pós-graduação de Schmidt e primeiro do artigo. autor. “O desenvolvimento de ferramentas simples, fáceis e com poucos recursos era nosso objetivo — e acredito que chegamos lá.”

Para realizar o teste, uma amostra de biofluido é misturada em um recipiente com microesferas magnéticas. Para este estudo, os pesquisadores usaram biofluidos, incluindo saliva e sangue de babuínos e saguis do Texas Biomedical Research Institute.

As microesferas são projetadas com uma sequência de RNA correspondente à doença para a qual o teste foi projetado para detectar. Por exemplo, se for um teste de detecção de COVID-19, as microesferas conterão filamentos de RNA SARS-CoV-2. Se houver o vírus SARS-CoV-2 presente na amostra, o RNA do vírus se ligará às esferas. Após um breve período de espera, o pesquisador puxa as esferas magnéticas para o fundo do recipiente e lava todo o resto.

As esferas são colocadas em um chip microfluídico de silício projetado e fabricado pelo grupo de Hawkins, onde fluem através de um canal longo e fino coberto por uma membrana ultrafina, cujo design Hawkins chama de “milagre da engenharia”. As esferas são apanhadas por um feixe de luz que as empurra contra uma parede do canal, que contém um nanoporo, uma pequena abertura com apenas 20 nanómetros de diâmetro – para comparação, um fio de cabelo humano tem cerca de 80.000 a 100.000 nanómetros de largura.

Os pesquisadores aplicam calor ao chip, o que faz com que as partículas de RNA se soltem das esferas e sejam sugadas pelo nanoporo, que detecta a presença do RNA do vírus.

Resultados promissores

Os seus testes mostraram que o teste detectou corretamente o vírus para cada amostra que o teste PCR foi capaz de detectar, mesmo em concentrações extremamente baixas do vírus. Houve casos em que o teste PCR não foi capaz de detectar um caso de um dos vírus enquanto o sistema de Schmidt o fez, mostrando que seu sistema pode ser mais preciso que o PCR.

No geral, o sistema microfluídico é muito menor e menos complexo que uma máquina de PCR. Se este conceito for lançado no mercado como um produto, o seu tamanho compacto poderá facilmente caber no laboratório de um investigador, permitindo resultados muito mais rápidos para testes de virologia, aumentando a acessibilidade dos testes e acelerando o tempo de obtenção dos resultados de dias para horas.

“Se construirmos um instrumento a partir deste sistema, um pesquisador poderia tê-lo no laboratório de nível de biossegurança 4, onde ele nunca sai da sala, e você pode simplesmente colocar um pouco de líquido de amostra e executar o teste em uma hora”, Schmidt disse. “Acho que isso ajudaria a acelerar os testes.”

O teste foi realizado com seis biofluidos diferentes, incluindo saliva, sangue e esfregaços de garganta, que podem conter diferentes cargas virais. Isso pode permitir aos pesquisadores estudar melhor como as doenças passam pelo corpo de diferentes animais.

Embora na fase atual o teste tenha sido desenvolvido para detectar os vírus SARS-CoV-2 e Zika, os investigadores poderiam fazer ajustes para encontrar qualquer vírus para o qual tenham uma amostra genética. Em desenvolvimentos futuros, planeiam uma maior simplificação e minimização do sistema, bem como permitir-lhe testar vários tipos de doenças ao mesmo tempo, uma funcionalidade chamada multiplexação de doenças.

Schmidt também pretende usar este conceito para desenvolver ferramentas de diagnóstico para biomarcadores de câncer e outras condições de saúde que deixam vestígios de DNA/RNA ou proteínas no corpo. Provavelmente levará alguns anos até que este conceito seja comercializado e levado ao mercado.