Nový prototyp masky na tvár dokáže detekovať infekciu Covid-19

— 04/07/2021 Covid-19

Inžinieri z MIT a Harvardovej univerzity navrhli novú masku na tvár, ktorá dokáže diagnostikovať nositeľa pomocou Covid-19 asi za 90 minút. Masky majú zabudované malé jednorazové senzory, ktoré je možné nasadiť do iných pleťových masiek a ktoré je tiež možné prispôsobiť na detekciu iných vírusov.

Foto: Felipe Frankel, Spravodajská kancelária MIT

Senzory sú založené na lyofilizovaných bunkových strojoch, ktoré výskumný tím predtým vyvinul na použitie pri papierovej diagnostike vírusov ako Ebola a Zika. V novej štúdii vedci preukázali, že senzory je možné zabudovať nielen do pleťových masiek, ale aj do odevov, ako sú napríklad laboratórne plášte, čo potenciálne ponúka nový spôsob monitorovania vystavenia zdravotníckych pracovníkov rôznym patogénom alebo iným hrozbám.

„Ukázali sme, že môžeme zmraziť a vysušiť širokú škálu syntetických biologických senzorov na detekciu vírusových alebo bakteriálnych nukleových kyselín, ako aj toxických chemikálií vrátane nervových toxínov. Predpokladáme, že táto platforma by mohla umožniť nositeľné biosenzory nasledujúcej generácie pre osoby reagujúce na prvú pomoc, zdravotnícky personál a vojenský personál, “hovorí James Collins, profesor lekárskeho inžinierstva a vedy Termeer z Inštitútu pre lekárske inžinierstvo a vedu (IMES) na MIT. of Biological Engineering a hlavný autor štúdie.

Senzory tvárovej masky sú navrhnuté tak, aby ich nositeľ mohol aktivovať, keď je pripravený na vykonanie testu, a výsledky sa kvôli ochrane súkromia zobrazujú iba na vnútornej strane masky.

Vedúcimi článku sú Peter Nguyen, vedecký pracovník Wyssovho ústavu pre biologicky inšpirované inžinierstvo na Harvardskej univerzite, a Luis Soenksen, staviteľ podniku na klinike Abdul Latif Jameel pre strojové učenie v zdravotníctve MIT a bývalý postdoktorát na Wyssovom inštitúte. , ktorá sa dnes objavuje v Nature Biotechnology .

Nositeľné snímače

Nové nositeľné snímače a diagnostická maska ​​sú založené na technológii, ktorú Collins začal vyvíjať pred niekoľkými rokmi. V roku 2014 ukázal, že do papiera je možné vložiť proteíny a nukleové kyseliny potrebné na vytvorenie syntetických génových sietí, ktoré reagujú na špecifické cieľové molekuly, a tento prístup použil na vytvorenie papierovej diagnostiky pre vírusy Ebola a Zika . V spolupráci s laboratóriom Feng Zhang v roku 2017 vyvinul Collins ďalší bezbunkový senzorový systém, známy ako SHERLOCK , ktorý je založený na enzýmoch CRISPR a umožňuje vysoko citlivú detekciu nukleových kyselín.

Tieto komponenty bezbunkového obvodu sú lyofilizované a zostávajú stabilné po mnoho mesiacov, kým nedôjde k ich rehydratácii. Keď sú aktivované vodou, môžu interagovať s cieľovou molekulou, ktorou môže byť akákoľvek sekvencia RNA alebo DNA, ako aj s inými typmi molekúl, a vytvárať signál, ako je zmena farby.

V poslednej dobe Collins a jeho kolegovia začali pracovať na začlenení týchto senzorov do textílií, s cieľom vytvoriť laboratórny plášť pre zdravotníckych pracovníkov alebo ostatných s potenciálnym vystavením patogénom.

Najskôr spoločnosť Soenksen vykonala obrazovku stoviek rôznych druhov látok, od bavlny a polyesteru po vlnu a hodváb, aby zistila, ktoré sú kompatibilné s týmto typom snímačov. „Nakoniec sme identifikovali pár, ktorý sa v módnom priemysle veľmi často používa na výrobu odevov,“ hovorí. “Ten, ktorý bol najlepší, bola kombinácia polyesteru a iných syntetických vlákien.”

Na výrobu nositeľných senzorov vložili vedci svoje lyofilizované komponenty do malej časti tejto syntetickej tkaniny, kde sú obklopené krúžkom zo silikónového elastoméru. Toto rozdelenie na časti zabraňuje odparovaniu alebo difúzii vzorky od snímača. Na demonštráciu technológie vedci vytvorili plášť s asi 30 z týchto senzorov.

Ukázali, že malý rozstrek kvapaliny obsahujúci vírusové častice, napodobňujúci vystavenie infikovanému pacientovi, môže hydratovať lyofilizované komponenty bunky a aktivovať senzor. Senzory môžu byť skonštruované tak, aby produkovali rôzne typy signálov vrátane zmeny farby viditeľnej voľným okom alebo fluorescenčného alebo luminiscenčného signálu, ktorý je možné čítať ručným spektrometrom. Vedci taktiež navrhli nositeľný spektrometer, ktorý je možné integrovať do textílie, kde môže načítať výsledky a bezdrôtovo ich prenášať do mobilného zariadenia.

“Toto vám dáva cyklus spätnej väzby informácií, ktorý dokáže monitorovať vašu expozíciu životného prostredia a varuje vás a ostatných o expozícii a o tom, kde k nej došlo,” hovorí Nguyen.

Diagnostická maska ​​na tvár

Keď vedci dokončovali svoju prácu na nositeľných senzoroch začiatkom roka 2020, Covid-19 sa začal šíriť po celom svete, a tak sa rýchlo rozhodli vyskúšať svoju technológiu na vytvorenie diagnostiky pre vírus SARS-CoV-2.

Na výrobu svojej diagnostickej masky na tvár vložili vedci lyofilizované senzory SHERLOCK do papierovej masky. Rovnako ako v prípade nositeľných senzorov, sú aj lyofilizované komponenty obklopené silikónovým elastomérom. V takom prípade sú senzory umiestnené na vnútornej strane masky, aby mohli detekovať vírusové častice v dychu osoby, ktorá masku nosí.

Maska tiež obsahuje malú nádržku na vodu, ktorá sa uvoľní stlačením tlačidla, keď je užívateľ pripravený na vykonanie testu. Takto sa hydratujú lyofilizované komponenty senzora SARS-CoV-2, ktorý analyzuje nahromadené kvapky dychu na vnútornej strane masky a do 90 minút vytvorí výsledok.

“Tento test je rovnako citlivý ako zlatý štandard, vysoko citlivé testy PCR, ale je taký rýchly ako testy na antigén, ktoré sa používajú na rýchlu analýzu Covid-19,” hovorí Nguyen.

Prototypy vyvinuté v tejto štúdii majú senzory na vnútornej strane masky na zisťovanie stavu používateľa a senzory umiestnené na vonkajšej strane odevov na detekciu vystavenia účinkom prostredia. Vedci môžu tiež vymeniť senzory za ďalšie patogény vrátane chrípky, eboly a ziky alebo senzory, ktoré vyvinuli na detekciu organofosfátových nervových látok.

“Prostredníctvom týchto ukážok sme v podstate zmenšili funkčnosť najmodernejších zariadení na molekulárne testovanie do formátu kompatibilného s nositeľnými scenármi v rôznych aplikáciách,” hovorí Soenksen.

Vedci požiadali o patent na túto technológiu a teraz dúfajú, že budú spolupracovať so spoločnosťou na ďalšom vývoji senzorov. Maska na tvár je s najväčšou pravdepodobnosťou prvou aplikáciou, ktorá by mohla byť sprístupnená, hovorí Collins.

“Myslím si, že maska ​​na tvár je pravdepodobne najpokročilejšia a najbližšia k produktu.” Už sme mali veľký záujem zo strany vonkajších skupín, ktoré by chceli vyvinúť prototypové úsilie, ktoré máme, a posunúť ich ďalej k schválenému a na trh uvedenému produktu, “hovorí.

Výskum bol financovaný Agentúrou na zníženie hrozby obrany; skupina Paul G. Allen Frontiers; Wyssov inštitút; Johnson and Johnson Innovation JLABS; Ragon Institute of MGH, MIT a Harvard; a nadácia Patricka J. McGovern Foundation.

Zdroj: https://news.mit.edu/2021/face-mask-covid-19-detection-0628