Μηχανικοί στο MIT και στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ έχουν σχεδιάσει μια νέα μάσκα προσώπου που μπορεί να διαγνώσει τον χρήστη με το Covid-19 μέσα σε περίπου 90 λεπτά. Οι μάσκες είναι ενσωματωμένες με μικροσκοπικούς, μίας χρήσης αισθητήρες που μπορούν να τοποθετηθούν σε άλλες μάσκες προσώπου και θα μπορούσαν επίσης να προσαρμοστούν για την ανίχνευση άλλων ιών.

Οι αισθητήρες βασίζονται σε λυοφιλοποιημένα κυτταρικά μηχανήματα που η ερευνητική ομάδα έχει αναπτύξει προηγουμένως για χρήση σε διαγνωστικά χαρτιού για ιούς όπως ο Έμπολα και το Ζίκα. Σε μια νέα μελέτη, οι ερευνητές έδειξαν ότι οι αισθητήρες θα μπορούσαν να ενσωματωθούν όχι μόνο σε μάσκες προσώπου αλλά και σε ρούχα όπως εργαστηριακά παλτά, προσφέροντας δυνητικά έναν νέο τρόπο παρακολούθησης της έκθεσης των εργαζομένων στον τομέα της υγείας σε μια ποικιλία παθογόνων ή άλλων απειλών.

«Έχουμε αποδείξει ότι μπορούμε να στεγνώσουμε με κατάψυξη ένα ευρύ φάσμα συνθετικών αισθητήρων βιολογίας για να ανιχνεύσουμε ιικά ή βακτηριακά νουκλεϊκά οξέα, καθώς και τοξικές χημικές ουσίες, συμπεριλαμβανομένων των νευρικών τοξινών. Οραματιζόμαστε ότι αυτή η πλατφόρμα θα μπορούσε να επιτρέψει στους επόμενης γενιάς φορετούς βιοαισθητήρες για τους πρώτους ανταποκριτές, το προσωπικό υγειονομικής περίθαλψης και το στρατιωτικό προσωπικό », λέει ο James Collins, καθηγητής Ιατρικής Μηχανικής και Επιστήμης Termeer στο Ινστιτούτο Ιατρικής Μηχανικής και Επιστημών (IMES) του MIT της Βιολογικής Μηχανικής και ο ανώτερος συγγραφέας της μελέτης.

Οι αισθητήρες μάσκας προσώπου έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε να μπορούν να ενεργοποιηθούν από τον χρήστη όταν είναι έτοιμοι να πραγματοποιήσουν τη δοκιμή και τα αποτελέσματα εμφανίζονται μόνο στο εσωτερικό της μάσκας, για απόρρητο του χρήστη.

Ο Peter Nguyen, ερευνητής στο Ινστιτούτο Wyss του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ για τη Βιολογική Εμπνευσμένη Μηχανική, και ο Luis Soenksen, Venture Builder στην κλινική Abdul Latif Jameel για το Machine Learning in Health του MIT και πρώην postdoc στο Ινστιτούτο Wyss, είναι οι κύριοι συγγραφείς της εφημερίδας. , που εμφανίζεται σήμερα στις Nature Biotechnology.

Φορητοί αισθητήρες

Οι νέοι φορητοί αισθητήρες και η διαγνωστική μάσκα προσώπου βασίζονται στην τεχνολογία που ξεκίνησε να αναπτύσσει ο Collins πριν από αρκετά χρόνια. Το 2014, έδειξε ότι οι πρωτεΐνες και τα νουκλεϊκά οξέα που χρειάζονται για τη δημιουργία συνθετικών δικτύων γονιδίων που αντιδρούν σε συγκεκριμένα μόρια στόχους θα μπορούσαν να ενσωματωθούν στο χαρτί και χρησιμοποίησε αυτήν την προσέγγιση για να δημιουργήσει διαγνωστικά χαρτιού για τον Έμπολα και Ζήκα ιοί. Σε συνεργασία με το εργαστήριο του Feng Zhang το 2017, ο Collins ανέπτυξε ένα άλλο σύστημα αισθητήρων χωρίς κύτταρα, γνωστό ως ΣΕΛΛΟΚ, το οποίο βασίζεται σε ένζυμα CRISPR και επιτρέπει εξαιρετικά ευαίσθητη ανίχνευση νουκλεϊκών οξέων.

Αυτά τα συστατικά κυκλώματος χωρίς κύτταρα ξηραίνονται με κατάψυξη και παραμένουν σταθερά για πολλούς μήνες, έως ότου ενυδατωθούν εκ νέου. Όταν ενεργοποιούνται με νερό, μπορούν να αλληλεπιδράσουν με το μόριο στόχο τους, το οποίο μπορεί να είναι οποιαδήποτε αλληλουχία RNA ή DNA, καθώς και άλλους τύπους μορίων, και παράγουν ένα σήμα όπως αλλαγή χρώματος.

Πιο πρόσφατα, ο Collins και οι συνάδελφοί του άρχισαν να εργάζονται για την ενσωμάτωση αυτών των αισθητήρων σε υφάσματα, με στόχο τη δημιουργία ενός εργαστηρίου για επαγγελματίες υγείας ή άλλους με πιθανή έκθεση σε παθογόνα.

Πρώτον, ο Soenksen πραγματοποίησε μια οθόνη εκατοντάδων διαφορετικών τύπων υφάσματος, από βαμβάκι και πολυεστέρα έως μαλλί και μετάξι, για να ανακαλύψει ποιο θα μπορούσε να είναι συμβατό με αυτό το είδος αισθητήρα. «Καταλήξαμε να εντοπίσουμε ένα ζευγάρι που χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία μόδας για την κατασκευή ενδυμάτων», λέει. «Αυτό που ήταν το καλύτερο ήταν ένας συνδυασμός πολυεστέρα και άλλων συνθετικών ινών.»

Για να φτιάξουν αισθητήρες που φοριούνται, οι ερευνητές ενσωμάτωσαν τα αποξηραμένα με ψύξη συστατικά τους σε ένα μικρό τμήμα αυτού του συνθετικού υφάσματος, όπου περιβάλλονται από ένα δακτύλιο από ελαστομερές σιλικόνης. Αυτή η διαμερισματοποίηση εμποδίζει το δείγμα να εξατμιστεί ή να διαχυθεί μακριά από τον αισθητήρα. Για να επιδείξουν την τεχνολογία, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα σακάκι ενσωματωμένο με περίπου 30 από αυτούς τους αισθητήρες.

Έδειξαν ότι ένας μικρός παφλασμός υγρού που περιέχει ιικά σωματίδια, μιμούμενοι την έκθεση σε έναν μολυσμένο ασθενή, μπορεί να ενυδατώσει τα ξηραμένα με ψύξη συστατικά των κυττάρων και να ενεργοποιήσει τον αισθητήρα. Οι αισθητήρες μπορούν να σχεδιαστούν για να παράγουν διαφορετικούς τύπους σημάτων, συμπεριλαμβανομένης μιας αλλαγής χρώματος που μπορεί να φανεί με γυμνό μάτι, ή ενός σήματος φθορισμού ή φωταύγειας, το οποίο μπορεί να διαβαστεί με ένα φασματόμετρο χειρός. Οι ερευνητές σχεδίασαν επίσης ένα φορητό φασματόμετρο που θα μπορούσε να ενσωματωθεί στο ύφασμα, όπου μπορεί να διαβάσει τα αποτελέσματα και να τα μεταδώσει ασύρματα σε μια κινητή συσκευή.

«Αυτό σας δίνει έναν κύκλο ανατροφοδότησης πληροφοριών που μπορεί να παρακολουθεί την περιβαλλοντική σας έκθεση και να σας ειδοποιεί και για άλλους σχετικά με την έκθεση και πού συνέβη», λέει ο Nguyen.

Μια διαγνωστική μάσκα προσώπου

Καθώς οι ερευνητές ολοκλήρωσαν τη δουλειά τους στους φορητούς αισθητήρες στις αρχές του 2020, ο Covid-19 άρχισε να εξαπλώνεται σε όλο τον κόσμο, οπότε αποφάσισαν γρήγορα να χρησιμοποιήσουν την τεχνολογία τους για να δημιουργήσουν ένα διαγνωστικό για τον ιό SARS-CoV-2.

Για να δημιουργήσουν τη διαγνωστική μάσκα προσώπου τους, οι ερευνητές ενσωμάτωσαν τους ξηρανθέντες με ψύξη αισθητήρες SHERLOCK σε μάσκα χαρτιού. Όπως και με τους φορετούς αισθητήρες, τα στεγνωμένα με ψύξη συστατικά περιβάλλονται από ελαστομερές σιλικόνης. Σε αυτήν την περίπτωση, οι αισθητήρες τοποθετούνται στο εσωτερικό της μάσκας, ώστε να μπορούν να ανιχνεύσουν ιικά σωματίδια στην αναπνοή του ατόμου που φορά τη μάσκα.

Η μάσκα περιλαμβάνει επίσης μια μικρή δεξαμενή νερού που απελευθερώνεται με το πάτημα ενός κουμπιού όταν ο φορέας είναι έτοιμος να πραγματοποιήσει τη δοκιμή. Αυτό ενυδατώνει τα αποξηραμένα με ψύξη συστατικά του αισθητήρα SARS-CoV-2, ο οποίος αναλύει συσσωρευμένα σταγονίδια αναπνοής στο εσωτερικό της μάσκας και παράγει ένα αποτέλεσμα εντός 90 λεπτών.

"Αυτό το τεστ είναι τόσο ευαίσθητο όσο το χρυσό πρότυπο, πολύ ευαίσθητα τεστ PCR, αλλά είναι τόσο γρήγορο όσο τα τεστ αντιγόνου που χρησιμοποιούνται για γρήγορη ανάλυση του Covid-19", λέει ο Nguyen.

Τα πρωτότυπα που αναπτύχθηκαν σε αυτήν τη μελέτη έχουν αισθητήρες στο εσωτερικό της μάσκας για την ανίχνευση της κατάστασης του χρήστη, καθώς και αισθητήρες τοποθετημένους στο εξωτερικό των ενδυμάτων, για την ανίχνευση της έκθεσης από το περιβάλλον. Οι ερευνητές μπορούν επίσης να ανταλλάξουν αισθητήρες για άλλα παθογόνα, συμπεριλαμβανομένης της γρίπης, του Έμπολα και του Ζίκα, ή αισθητήρες που έχουν αναπτύξει για την ανίχνευση οργανοφωσφορικών νευρικών παραγόντων.

«Μέσα από αυτές τις επιδείξεις, ουσιαστικά μειώσαμε τη λειτουργικότητα των προηγμένων μοριακών δοκιμαστικών εγκαταστάσεων σε μια μορφή συμβατή με φορετά σενάρια σε μια ποικιλία εφαρμογών», λέει ο Soenksen.

Οι ερευνητές έχουν υποβάλει αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την τεχνολογία και τώρα ελπίζουν να συνεργαστούν με μια εταιρεία για την περαιτέρω ανάπτυξη των αισθητήρων. Η μάσκα προσώπου είναι πιθανότατα η πρώτη εφαρμογή που θα μπορούσε να διατεθεί, λέει ο Collins.

«Νομίζω ότι η μάσκα προσώπου είναι πιθανώς η πιο προηγμένη και πιο κοντά σε ένα προϊόν. Έχουμε ήδη μεγάλο ενδιαφέρον από εξωτερικές ομάδες που θα ήθελαν να κάνουν τις πρωτότυπες προσπάθειες που έχουμε και να τις προωθήσουμε σε ένα εγκεκριμένο προϊόν που διατίθεται στο εμπόριο », λέει.

Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από τον Οργανισμό Μείωσης Απειλών Άμυνας. η ομάδα Paul G. Allen Frontiers · το Ινστιτούτο Wyss · Johnson and Johnson Innovation JLABS; το Ινστιτούτο Ragon των MGH, MIT και Harvard · και το Ίδρυμα Patrick J. McGovern.