Νέα συσκευή μπορεί να διαγνώσει τον Covid-19 από δείγματα σάλιου

Οι διαγνωστικές αποδόσεις στην επιφάνεια του τραπεζιού έχουν αποτέλεσμα σε μία ώρα και μπορούν να προγραμματιστούν για την ανίχνευση παραλλαγών του ιού SARS-CoV-2.

Μηχανικοί στο MIT και το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ έχουν σχεδιάσει μια μικρή επιτραπέζια συσκευή που μπορεί να ανιχνεύσει το SARS-CoV-2 από ένα δείγμα σάλιου σε περίπου μία ώρα. Σε μια νέα μελέτη, έδειξαν ότι το διαγνωστικό είναι εξίσου ακριβές με τις δοκιμές PCR που χρησιμοποιούνται τώρα.

Η συσκευή μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση συγκεκριμένων ιογενών μεταλλάξεων που συνδέονται με ορισμένες από τις παραλλαγές του SARS-CoV-2 που κυκλοφορούν τώρα.

Αυτό το αποτέλεσμα μπορεί επίσης να επιτευχθεί μέσα σε μια ώρα, καθιστώντας ενδεχομένως πολύ πιο εύκολη την παρακολούθηση διαφορετικών παραλλαγών του ιού, ειδικά σε περιοχές που δεν έχουν πρόσβαση σε εγκαταστάσεις γενετικής αλληλουχίας.

«Αποδείξαμε ότι η πλατφόρμα μας μπορεί να προγραμματιστεί για να ανιχνεύσει νέες παραλλαγές που εμφανίζονται, και ότι θα μπορούσαμε να την επαναχρησιμοποιήσουμε αρκετά γρήγορα», λέει ο James Collins, Καθηγητής Ιατρικής Μηχανικής και Επιστημών termeer στο Ινστιτούτο Ιατρικής Μηχανικής και Επιστήμης (IMES) του MIT και στο Τμήμα Βιολογικών Μηχανικών. «Σε αυτή τη μελέτη, στοχεύσαμε τις παραλλαγές του Ηνωμένου Βασιλείου., της Νότιας Αφρικής και της Βραζιλίας, αλλά θα μπορούσατε εύκολα να προσαρμόσετε τη διαγνωστική πλατφόρμα για να αντιμετωπίσετε την παραλλαγή Δέλτα και άλλες που εμφανίζονται».

Το νέο διαγνωστικό, το οποίο βασίζεται στην τεχνολογία CRISPR, μπορεί να συναρμολογηθεί για περίπου 15 δολάρια, αλλά το κόστος αυτό θα μπορούσε να μειωθεί σημαντικά εάν οι συσκευές μπορούν να παραχθούν σε μεγάλη κλίμακα, αναφέρουν οι ερευνητές.

Ο Collins, ο οποίος είναι επίσης μέλος του Ινστιτούτου Broad του Χάρβαρντ και του MIT, είναι ο ανώτερος συγγραφέας της νέας μελέτης, η οποία εμφανίζεται σήμερα στο Science Advances. Οι κύριοι συγγραφείς της εφημερίδας είναι η Helena de Puig, μεταδιδακτορική στο Ινστιτούτο Wyss του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ για βιολογικά εμπνευσμένη μηχανική. Rose Lee, εκπαιδευτής παιδιατρικής στο Νοσοκομείο Παίδων της Βοστώνης και στο Ιατρικό Κέντρο Beth Israel Deaconess και επισκέπτης συνεργάτης στο Ινστιτούτο Wyss. Ντεβόρα Νατζάρ, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο Εργαστήριο ΜΜΕ του ΜΙΤ. και ο Xiao Tan, κλινικός συνεργάτης στο Ινστιτούτο Wyss και εκπαιδευτής γαστρεντερολογίας στο Γενικό Νοσοκομείο της Μασαχουσέτης.

Ένα αυτόνομο διαγνωστικό

Το νέο διαγνωστικό βασίζεται στο SHERLOCK, ένα εργαλείο βασισμένο στο CRISPR που ο Collins και άλλοι ανέφεραν για πρώτη φορά το 2017. Τα συστατικά του συστήματος περιλαμβάνουν ένα σκέλος οδηγού RNA που επιτρέπει την ανίχνευση συγκεκριμένων ακολουθιών RNA στόχου και ένζυμα Cas που διασπούν αυτές τις ακολουθίες και παράγουν ένα φθορίζον σήμα. Όλα αυτά τα μοριακά συστατικά μπορούν να στεγνώσουν με κατάψυξη για μακροχρόνια αποθήκευση και να επανενεργοποιηθούν κατά την έκθεση στο νερό.

Πέρυσι, το εργαστήριο του Collins άρχισε να εργάζεται για την προσαρμογή αυτής της τεχνολογίας για την ανίχνευση του ιού SARS-CoV-2, ελπίζοντας ότι θα μπορούσαν να σχεδιάσουν μια διαγνωστική συσκευή που θα μπορούσε να αποφέρει γρήγορα αποτελέσματα και να λειτουργεί με ελάχιστη ή καθόλου εμπειρογνωμοσύνη. Ήθελαν επίσης να λειτουργεί με δείγματα σάλιου, καθιστώντας ακόμα πιο εύκολο για τους χρήστες.

Για να επιτευχθεί αυτό, οι ερευνητές έπρεπε να ενσωματώσουν ένα κρίσιμο βήμα προεπεξεργασίας που απενεργοποιεί ένζυμα που ονομάζονται σιελογόνοι πυρήνες, τα οποία καταστρέφουν νουκλεϊκά οξέα όπως το RNA. Μόλις το δείγμα εισέλθει στη συσκευή, οι πυρήνες αδρανοποιηθούν από τη θερμότητα και δύο χημικά αντιδραστήρια. Στη συνέχεια, το ιικό RNA εξάγεται και συγκεντρώνεται περνώντας το σάλιο μέσω μιας μεμβράνης.

«Αυτή η μεμβράνη ήταν το κλειδί για τη συλλογή των νουκλεϊνικών οξέων και τη συγκέντρωσή τους, ώστε να μπορέσουμε να έχουμε την ευαισθησία που δείχνουμε με αυτό το διαγνωστικό», λέει ο Lee.

Αυτό το δείγμα RNA εκτίθεται στη συνέχεια σε αποξηραμένα με κατάψυξη εξαρτήματα CRISPR/Cas, τα οποία ενεργοποιούνται με αυτοματοποιημένη διάτρηση σφραγισμένων πακέτων νερού εντός της συσκευής. Η αντίδραση ενός δοχείου ενισχύει το δείγμα RNA και στη συνέχεια ανιχνεύει την ακολουθία RNA στόχου, εάν υπάρχει.

«Στόχος μας ήταν να δημιουργήσουμε ένα πλήρως αυτόνομο διαγνωστικό που δεν απαιτεί άλλο εξοπλισμό», λέει ο Ταν. «Ουσιαστικά ο ασθενής φτύνει σε αυτή τη συσκευή, και στη συνέχεια σπρώχνετε προς τα κάτω ένα έμβολο και παίρνετε μια απάντηση μια ώρα αργότερα».

Οι ερευνητές σχεδίασαν τη συσκευή, την οποία αποκαλούν ενορχήστρωση SHERLOCK (miSHERLOCK), έτσι ώστε να μπορεί να έχει έως και τέσσερις ενότητες που η καθεμία ψάχνει για μια διαφορετική ακολουθία RNA στόχου. Η αρχική ενότητα περιέχει νήματα οδηγού RNA που ανιχνεύουν οποιοδήποτε στέλεχος του SARS-CoV-2. Άλλες ενότητες είναι συγκεκριμένες για μεταλλάξεις που σχετίζονται με ορισμένες από τις παραλλαγές που έχουν προκύψει κατά το περασμένο έτος, συμπεριλαμβανομένων των B.1.1.7, P.1 και B.1.351.

Η παραλλαγή Δέλτα δεν ήταν ακόμα ευρέως διαδεδομένη όταν οι ερευνητές πραγματοποίησαν αυτή τη μελέτη, αλλά επειδή το σύστημα έχει ήδη κατασκευαστεί, λένε ότι θα πρέπει να είναι εύκολο να σχεδιαστεί μια νέα ενότητα για την ανίχνευση αυτής της παραλλαγής. Το σύστημα θα μπορούσε επίσης να προγραμματιστεί εύκολα για να παρακολουθεί για νέες μεταλλάξεις που θα μπορούσαν να κάνουν τον ιό πιο μολυσματικό.

«Εάν θέλετε να κάνετε περισσότερα από μια ευρεία επιδημιολογική έρευνα, μπορείτε να σχεδιάσετε δοκιμασίες πριν εμφανιστεί μια μετάλλαξη της ανησυχίας σε έναν πληθυσμό, για να παρακολουθήσετε για δυνητικά επικίνδυνες μεταλλάξεις στην πρωτεΐνη αιχμής», λέει ο Najjar.

Πώς μπορούμε να παρακολουθήσουμε τις παραλλαγές

Οι ερευνητές δοκίμασαν πρώτα τη συσκευή τους με ανθρώπινο σάλιο με συνθετικές αλληλουχίες RNA SARS-CoV-2 και στη συνέχεια με περίπου 50 δείγματα από ασθενείς που είχαν βρεθεί θετικοί στον ιό. Διαπίστωσαν ότι η συσκευή ήταν εξίσου ακριβής με τις χρυσές τυπικές δοκιμές PCR που χρησιμοποιούνται τώρα, οι οποίες απαιτούν ρινικά επιχρίσματα και χρειάζονται περισσότερο χρόνο και σημαντικά περισσότερο χειρισμό υλικού και δείγματος για την απόδοση αποτελεσμάτων.

Η συσκευή παράγει μια φθορίζουσα ένδειξη που μπορεί να δει κανείς με γυμνό μάτι και οι ερευνητές σχεδίαζαν επίσης μια εφαρμογή smartphone που μπορεί να διαβάσει τα αποτελέσματα και να τα στείλει σε τμήματα δημόσιας υγείας για ευκολότερη παρακολούθηση.

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η συσκευή τους θα μπορούσε να παραχθεί με κόστος τόσο χαμηλό όσο 2 έως 3 δολάρια ανά συσκευή. Εάν εγκριθεί από τον FDA και κατασκευαστεί σε μεγάλη κλίμακα, οραματίζονται ότι αυτό το είδος διαγνωστικού θα μπορούσε να είναι χρήσιμο είτε για άτομα που θέλουν να είναι σε θέση να δοκιμάσουν στο σπίτι, είτε σε κέντρα υγειονομικής περίθαλψης σε περιοχές χωρίς ευρεία πρόσβαση σε δοκιμές PCR ή γενετική αλληλουχία παραλλαγών SARS-CoV-2.

«Η ικανότητα ανίχνευσης και παρακολούθησης αυτών των παραλλαγών είναι απαραίτητη για την αποτελεσματική δημόσια υγεία, αλλά δυστυχώς, οι παραλλαγές μπορούν να διαγνωστούν μέχρι στιγμής μόνο με αλληλουχία νουκλεϊνικού οξέος σε εξειδικευμένα επιδημιολογικά κέντρα που είναι σπάνια ακόμη και σε πλούσια σε πόρους έθνη», λέει ο ντε Πουίγκ.

Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Ινστιτούτο Wyss. την ομάδα συνόρων Paul G. Allen· το Πανεπιστημιακό Κέντρο Ερευνών του Χάρβαρντ για το AIDS, το οποίο υποστηρίζεται από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας. μια Αμερικανική Εταιρεία Τροπικής Ιατρικής και Υγιεινής Burroughs-Wellcome· βραβείο μελετητή φαρμακευτικής έρευνας της Αμερικανικής Γαστρεντερολογικής Ένωσης Takeda· και υποτροφία στο Κέντρο MIT-TATA.