La tecnología detrás de las mascarillas faciales que pueden diagnosticar COVID-19

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Un esfuerzo de colaboración entre los Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) publicaron recientemente sus hallazgos sobre cómo se puede incorporar tecnología novedosa en máscaras faciales estándar para detectar la presencia del síndrome respiratorio agudo severo coronavirus 2 (SARS-CoV-2).

Mascarilla

Mascarilla que puede detectar SARS-CoV-2. Crédito de la imagen: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard

Introducción a la biología sintética

La biología sintética es un campo multidisciplinario que utiliza varios principios de ingeniería para ganar control sobre una amplia gama de parámetros biológicos. Como resultado, la biología sintética ha sido la base de muchos avances recientes que se han realizado en los campos de la biotecnología y la medicina.

Algunos de los diferentes elementos de ingeniería que se han incorporado a estas tecnologías biomédicas incluyen osciladores, interruptores, puertas lógicas, amplificadores, temporizadores, contadores, memorias, sensores y actuadores. Dentro del campo de la ciencia y la tecnología de los sensores, la biología sintética permitió a los investigadores crear sensores rápidos y económicos que se pueden utilizar para el diagnóstico y el seguimiento de enfermedades en entornos del mundo real.

Los avances anteriores en el campo de la biología sintética han llevado al desarrollo de nuevos sensores celulares que mantienen su capacidad de detección natural para detectar una variedad de objetivos moleculares y ambientales. Estos nuevos sensores celulares pueden funcionar solos o acoplarse con componentes electrónicos para formar transductores de sensibilidad única que se han utilizado para una variedad de aplicaciones, desde pruebas de calidad del agua hasta detección de toxinas en zonas de guerra.

¿Qué es la tecnología wFDCF?

Recientemente, investigadores del MIT han publicado sus hallazgos sobre una nueva tecnología portátil sin células liofilizadas (wFDCF) que utiliza sensores codificados genéticamente para la detección de metabolitos corporales, biomarcadores de patógenos, toxinas químicas y otros sustratos ambientales. El desarrollo de esta tecnología se basó en gran medida en hallazgos anteriores que demostraban que los componentes biomoleculares que se requieren para estas aplicaciones de detección se pueden liofilizar para ampliar su vida útil y al mismo tiempo preservar su estabilidad durante el transporte y almacenamiento durante períodos prolongados.

En términos de seguridad, la tecnología wFDCF elimina muchos de los posibles problemas de seguridad que a menudo surgen cuando se utilizan plataformas de biosensores basadas en células vivas. La tecnología wFDCF descrita en el artículo actual se utilizó por primera vez como un ácido nucleico sistema para ayudar en el diagnóstico del virus Zika durante el brote de 2015. En ese sistema, las moléculas de ácido ribonucleico (ARN) derivado de patógenos se acoplaron con una proteína verde fluorescente (GFP) que formó el circuito diseñado genéticamente para el biosensor. Luego, el circuito se incrustó en sustratos de papel porosos que producen una señal fluorescente más alta cuando se exponen al virus Zika.

Sensores SARS-CoV-2 en máscaras faciales

Además del papel, las tecnologías de la plataforma wFDCF también se pueden incorporar directamente en sustratos sintéticos y naturales, como matrices poliméricas y ciertos textiles como hilos, tejidos, fibras, así como tejidos complejos. Con este fin, los investigadores del estudio actual estaban interesados ​​en integrar esta nueva tecnología en máscaras faciales estándar para detectar la presencia de SARS-CoV-2 en el aliento de un paciente. La tecnología detrás de esta máscara facial de detección de la enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19) parece lograr tasas de precisión que son comparables a las pruebas de reacción en cadena de la polimerasa con transcriptasa inversa (RT-PCR) que se utilizan a menudo para diagnosticar COVID-19 en el entorno clínico. .

La mascarilla de detección de COVID-19 consta de tres reacciones biológicas liofilizadas diferentes que se activan mediante la liberación de agua de un depósito que presiona un pequeño botón. La primera de estas reacciones abre el miembro del virus SARS-CoV-2 para exponer su material de ARN genético. El gen que codifica el SARS-CoV-2 proteína de pico, que es la proteína de superficie que permite que el virus penetre en las células humanas, se aísla y se copia en numerosas versiones de doble cadena.

La reacción final utiliza la tecnología SHERLOCK basada en repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas (CRISPR) para detectar cualquier fragmento de gen de la proteína de pico en el aliento. Tras la detección de cualquier fragmento de gen, se corta una molécula sonda en dos piezas más pequeñas y luego se informa a través de una tira de ensayo de flujo lateral incrustada dentro de la máscara. Si se encuentran y cortan fragmentos de proteína de pico, un diagnóstico de SARS-CoV-2 será positivo. De manera similar al resultado positivo que surge cuando se utilizan pruebas de embarazo caseras, un cambio en el patrón de líneas de la máscara confirmará la presencia de SARS-CoV-2.

Aplicaciones futuras

Este trabajo muestra que nuestra tecnología de biología sintética liofilizada y libre de células puede extenderse a dispositivos portátiles y utilizarse para aplicaciones de diagnóstico novedosas, incluido el desarrollo de un diagnóstico de mascarilla facial “.

Aunque la versión actual de la máscara facial con detección de COVID-19 no tiene componentes electrónicos, los investigadores han descubierto que pueden integrar elementos permanentes en este sistema para aplicaciones de diagnóstico más amplias. Con este fin, se puede integrar una red de cables de fibra óptica en la tecnología wFCDF para detectar la luz fluorescente que se genera tras la ocurrencia de diversas reacciones biológicas.

El resultado de estas reacciones se puede transmitir a aplicaciones de teléfonos inteligentes para permitir que el usuario controle su exposición a diversas sustancias durante períodos prolongados. Por ejemplo, los investigadores sugieren que esta tecnología podría usarse en batas de laboratorio para científicos que trabajan con materiales peligrosos o patógenos. De manera similar, los médicos y enfermeras también podrían usar textiles que contengan estos sensores wFCDF para monitorear su exposición a patógenos o toxinas peligrosos.

Fuente:

Referencia de la revista:

  • Nguyen, PQ, Soenksen, LR, Donghia, Nuevo México, et al. Materiales portátiles con sensores de biología sintética integrados para la detección de biomoléculas. Nat Biotechnol (2021). https://doi.org/10.1038/s41587-021-00950-3

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