Sada kada je hitna faza pandemije COVID-19 završena, naučnici traže načine da u realnom vremenu nadgledaju unutrašnje okruženje u potrazi za virusima. Kombinovanjem nedavnih napretka u tehnologiji uzorkovanja aerosola i ultraosetljive tehnike biosensinga, istraživači sa Vašingtonskog univerziteta u Sent Luisu napravili su monitor u realnom vremenu koji može da otkrije bilo koju od varijanti virusa SARS-CoV-2 u prostoriji za oko 5 minuta.
Jeftin uređaj sa dokazom koncepta mogao bi da se koristi u bolnicama i zdravstvenim ustanovama, školama i javnim mestima kako bi pomogao u otkrivanju CoV-2 i potencijalnom praćenju aerosola drugih respiratornih virusa, kao što su grip i respiratorni sincicijski virus (RSV). Rezultati njihovog rada na monitoru, za koji kažu da je najosetljiviji dostupni detektor, objavljeni su u Nature Communications.
Interdisciplinarni tim istraživača sa McKelvei School of Engineering i School of Medicine čine Rajan Chakrabarti, Harold D. Jollei vanredni profesor za energetiku, životnu sredinu i hemijsko inženjerstvo u McKelvei Engineering; Joseph Puthusseri, postdoktorski naučni saradnik u Chakrabartijevoj laboratoriji; Džon Cirito, profesor neurologije na Medicinskom fakultetu; i Carla Iuede, vanredni profesor psihijatrije na Medicinskom fakultetu.
„U ovom trenutku ne postoji ništa što bi nam govorilo koliko je soba bezbedna“, rekao je Cirito. „Ako ste u prostoriji sa 100 ljudi, ne želite da saznate pet dana kasnije da li ste možda bolesni ili ne. Ideja sa ovim uređajem je da možete znati suštinski u realnom vremenu, ili svakih 5 minuta, ako postoji živi virus“. Ova slika prikazuje putanju čestica unutar ciklonskog uzorkivača tokom uzorkovanja vazduha. Tim Univerziteta Vašington koristio je simulacije računarske dinamike fluida (CFD) da bi stekao uvid u efikasnost sakupljanja aerosola unutar vlažnog ciklona u zavisnosti od veličine. Zasluge: Joseph Puthusseri
Cirito i Iuede su ranije razvili biosenzor za mikroimunoelektrodu (MIE) koji detektuje amiloid beta kao biomarker za Alchajmerovu bolest i pitali su se da li se može pretvoriti u detektor za SARS-CoV-2. Došli su do Čakrabartija, koji je okupio tim koji je uključivao Puthusserija, koji je imao stručnost u izgradnji instrumenata u realnom vremenu za merenje toksičnosti vazduha.
Da bi biosenzor pretvorili iz detekcije beta amiloida u koronavirus, istraživači su zamenili antitelo koje prepoznaje amiloid beta za nanotelo lame koje prepoznaje šiljasti protein iz virusa SARS-CoV-2. David Brodi, MD, Ph.D., bivši član fakulteta na Odeljenju za neurologiju na Medicinskom fakultetu i autor rada, razvio je nanotelo u svojoj laboratoriji u Nacionalnom institutu za zdravlje (NIH). Nanotelo je malo, lako se reprodukuje i modifikuje i jeftino za pravljenje, rekli su istraživači.
„Elektrohemijski pristup zasnovan na nanotelu je brži u otkrivanju virusa jer mu nije potreban reagens ili mnogo koraka obrade“, rekao je Iuede. „SARS-CoV-2 se vezuje za nanotela na površini i možemo da izazovemo oksidaciju tirozina na površini virusa koristeći tehniku koja se zove voltametrija kvadratnog talasa da bismo dobili merenje količine virusa u uzorku.
Čakrabarti i Puthuseri su integrisali biosenzor u uređaj za uzorkovanje vazduha koji radi na osnovu tehnologije mokrog ciklona. Vazduh ulazi u uzorkivač pri veoma velikim brzinama i centrifugalno se meša sa tečnošću koja oblaže zidove uzorkivača da bi se stvorio površinski vrtlog, čime se zarobljavaju aerosoli virusa. Mokri ciklonski uzorkivač ima automatizovanu pumpu koja sakuplja tečnost i šalje je do biosenzora za besprekornu detekciju virusa pomoću elektrohemije.
„Izazov sa detektorima aerosola u vazduhu je taj što je nivo virusa u unutrašnjem vazduhu toliko razblažen da čak gura ka granici detekcije lančane reakcije polimeraze (PCR) i to je kao pronalaženje igle u plastu sena“, rekao je Čakrabarti. „Veliki oporavak virusa pomoću vlažnog ciklona može se pripisati njegovom izuzetno visokom protoku, što mu omogućava da uzorkuje veću zapreminu vazduha tokom 5-minutnog prikupljanja uzoraka u poređenju sa komercijalno dostupnim uzorcima.
Većina komercijalnih uzorkivača bioaerosola radi pri relativno niskim brzinama protoka, rekao je Puthusseri, dok monitor tima ima brzinu protoka od oko 1.000 litara u minuti, što ga čini jednim od uređaja sa najvećim protokom na raspolaganju. Takođe je kompaktan, širok oko 1 stopu i visok 10 inča i svetli kada se otkrije virus, upozoravajući administratore da povećaju protok vazduha ili cirkulaciju u prostoriji.
Tim je testirao monitor u stanovima dva COVID-pozitivna pacijenta. PCR rezultati u realnom vremenu uzoraka vazduha iz spavaćih soba upoređeni su sa uzorcima vazduha prikupljenim iz kontrolne sobe bez virusa. Uređaji su otkrili RNK virusa u uzorcima vazduha iz spavaćih soba, ali nisu otkrili nijednu u kontrolnim uzorcima vazduha.
U laboratorijskim eksperimentima koji su aerosolizirali SARS-CoV-2 u komoru veličine sobe, mokri ciklon i biosenzor su bili u stanju da otkriju različite nivoe koncentracija virusa u vazduhu nakon samo nekoliko minuta uzorkovanja.
„Počinjemo sa SARS-CoV-2, ali postoje planovi za merenje gripa, RSV-a, rinovirusa i drugih vrhunskih patogena koji rutinski inficiraju ljude“, rekao je Cirito. „U bolničkom okruženju, monitor bi mogao da se koristi za merenje stafilokoka ili streptokok, koji izazivaju sve vrste komplikacija kod pacijenata. Ovo bi zaista moglo imati veliki uticaj na zdravlje ljudi.“
Tim radi na komercijalizaciji monitora kvaliteta vazduha.
