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Desarrollando una mascarilla que puede descubrir COVID-19

Thought LeadersDr. Peter Nguyen
Dr. Luis R. Soenksen

A face mask has been developed that can detect COVID-19. News-Medical spoke to the researchers behind this idea to find out more about how it works.

¿Podría usted presentarse por favor e informarnos qué inspiró su investigación en la enfermedad 2019 (COVID-19) del coronavirus?

Peter Nguyen es científico de la investigación en el instituto de Wyss en la Universidad de Harvard y Luis Soenksen es científico de la investigación y constructor de la empresa en la clínica del MIT Jameel para el AI y la atención sanitaria.

Nuestro laboratorio en MIT/Harvard (https://www.collinslab.mit.edu/) se centra actualmente en maneras de traer los circuitos biológicos avanzados, un campo conocido como biología sintetizada del `,' fuera del laboratorio y en tecnología diaria. Esto nos llevó a centrarnos en wearables biosensor-que contenían.

Los wearables disponibles en el comercio de la corriente (vigilancia e.g., de FitBit o de Apple) descubren señales fisiológicas electrónicamente. Sin embargo, no pueden descubrir la exposición a un patógeno o a una toxina. Ése es algo que requiere actualmente un laboratorio entero tramitar muestras.

Nuestros sensores pueden ahora traer que la misma potencia de la prueba a los wearables de descubrir y de determinar patógeno (cualquier bacterias o virus) así como las toxinas. Esencialmente, nuestra tecnología miniaturiza un laboratorio entero sobre una ropa usable. Cuando el golpe pandémico, nosotros giró inmediatamente nuestro trabajo a desarrollar un usable que podría descubrir COVID-19 de una manera discreta, barata, y rápida.

Virus SARS-CoV-2

Virus SARS-CoV-2. Haber de imagen: Yeti punteado/Shutterstock.com

Casi 4 millones de personas de han muerto hasta ahora del brote COVID-19. ¿Por qué es importante para que los investigadores y las organizaciones vengan junto y trabajen colaborativo para ayudar a avance nuestros métodos de la detección y de la prevención?

La colaboración dentro de la comunidad de investigación compartiendo datos, ideas, y la reacción constructiva es el asegurarse de esencial a nosotros tenemos una diversidad de aproximaciones y de tecnologías en nuestra eliminación. Todos construimos lejos de uno a en una manera maravillosa, la tecnología vaccínea asombrosa que se presentó de este pandémico es un ejemplo de eso.

Nuestra tecnología de la detección/de la supervisión necesita alcanzar. Nos hemos beneficiado grandemente de discusiones pensativas con los investigadores en campos y clínicos dispares, también. Es especialmente importante para un proyecto multidisciplinario tal como esto.

¿Cuáles son biosensores y cómo pueden ellos descubrir patógeno y las toxinas?

Los biosensores utilizan los circuitos genéticos dirigidos para crear los sensores y los detectores para un objetivo molecular deseado con biología, en contraste con los sensores electrónicos/mecánicos/ópticos. Pensamos que los biosensores están adaptados únicamente para la detección el patógeno y de la toxina, pues pueden los más interconectar directamente con estos componentes moleculares.

Nuestras reacciones fisiológicas a estas amenazas son fundamental biológicas en naturaleza. Reengineering las acciones recíprocas entre las moléculas biológicas, los sensores altamente sensibles pueden ser creados. Los biosensores habilitarán la generación siguiente de wearables artificial dirigidos que tengan detectar las capacidades similares a la de nuestra propia piel o sistema inmune.

Usted ha estado trabajando en esta tecnología sin células liofilizada (wFDCF) usable por más de tres años y primero usada le con el papel. ¿Qué problemas usted encontró al tentativa reconstruir este biosensor de modo que sea usable y cómo usted los venciera?

Nuestro trabajo para la mascarilla COVID-19 se construye definitivamente sobre nuestros diagnósticos sobre papel anteriores de Ebola y de Zika. Esas pruebas demostraron la tecnología liofilizada pero aún requirieron a un utilizador entrenado preparar una muestra, lo aplican al papel, y a los instrumentos para tramitarlo. Para nuestro trabajo actual, quisimos centrarnos en tener la tecnología autónomo estemos operando, con la colección automática de la muestra, la preparación integrada de la muestra, y la intervención mínima del utilizador.

Para la mascarilla, todo el utilizador tiene que hacer para activar el sensor para comenzar el análisis es prensa al botón. Estos diversos obstáculos no eran triviales, llevándonos varios años el ingeniero. Un problema grande que encontramos era evaporación, como las reacciones de FDCF necesitan el agua trabajar. Tanto de la ingeniería en los wearables diseñaba los sensores para disminuir la evaporación mientras que mantenía adaptabilidad y continuidad con el ambiente, usando cámaras elastoméricas hidrofóbicas especialmente diseñadas del sensor.

También, los sensores de la mascarilla utilizaron un diseño más complejo de la multi-reacción, requiriendo retrasos asegurarse de que cada reacción liofilizada ocurriera de una manera de manera gradual y fuera con todo capaz de ejecutarse autónomo. Cada paso y componente tuvieron que ser optimizados arduo de modo que el sistema entero ejecutara robusto. Había mucha optimización material también, asegurarse de que teníamos el flujo correcto del agua y de la compatibilidad con los diversos reactivos.

¿Puede usted describir por favor cómo usted realizó su última investigación en desarrollar este biosensor usable? ¿Cómo este biosensor trabaja?

El sensor COVID-19 aquí también contiene los sensores biológicos liofilizados (basados en las enzimas de CRISPR). Se sujeta al sensor una almohadilla de la colección de la muestra que cerco los aerosoles de la respiración del utilizador. Cuando el utilizador ha desgastado la máscara para un periodo del tiempo apropiado (una condición atmosférica mínima de 15-30 minutos), prensan un botón que perfore una bolsa llena de agua de la ampolla, que las mechas riegan inmediatamente a través de la almohadilla de la colección de la muestra, activando a lo largo de cualquier partícula viral en el sensor para el análisis. El sensor contiene tres reacciones liofilizadas, cada uno separada por un de retraso de tiempo soluble.

Primero, una mezcla detersoria optimizada rompe cualquier membrana viral. La segunda reacción es un transcriptase reverso acoplado - la reacción isotérmica de la amplificación de la polimerasa del recombinase (RT-RPA), que convierte el ARN viral a la DNA y amplifica un área de él (la codificación del gen para la proteína del pico). La tercera y pasada reacción es el sensor de CRISPR (Cas12a), que descubre la DNA amplificada. Hay una molécula de la antena que consigue hendida (corte) por el Cas12a si se activa.

En el final, una vez que se ha ejecutado el sensor, los flujos de la reacción a una tira lateral del flujo (similar a una prueba de embarazo) donde el resultado se presenta simple como configuración visible de bandas en virtud de la cual varíe si se ha hendido la antena o no.

Mascarilla COVID-19

Mascarilla que puede descubrir COVID-19. Haber de imagen: Instituto de Wyss para la ingeniería biológico inspirada en la Universidad de Harvard

Su mascarilla puede descubrir la presencia de SARS-CoV-2 con la misma exactitud que pruebas estándar de la polimerización en cadena. ¿Qué otras ventajas esta mascarilla tienen sobre otros métodos usados para diagnosticar COVID-19 tal como pruebas de la polimerización en cadena?

  • ¿Es muy conveniente - si usted está desgastando ya una máscara, por qué no tenga una prueba mientras que usted está desgastando uno?
  • Es no invasor, descubriendo el virus de la respiración del utilizador. Cuanto más larga es la captura de la respiración, más muestra disponible para el análisis.
  • Es barato - actualmente, nuestros costos diagnósticos del sensor del prototipo COVID-19 en total aproximadamente $5 USD, no incluyendo el costo de la máscara sí mismo. En este costo, pensamos que sería competitivo como una máscara y prueba todas juntas disponibles. Anticipamos que con un producto masa-manufacturado, este punto de precio debe caer.
  • Pega el sweet spot de la sensibilidad y de la velocidad - a diferencia de una prueba del antígeno, ésta es una prueba de la amplificación del ácido nucléico (NAAT), que descubre directamente el genoma del virus. A diferencia de una prueba típica de la polimerización en cadena, esta prueba de la mascarilla puede dar resultados en el plazo de 90 minutos sin la necesidad enviar cualquier cosa a un laboratorio.
  • Ninguna instrumentación y operación de utilizador mínima - el sensor es completo integrado en el material, y todo el utilizador necesita hacer para activarlo es prensa al botón. No hay instrumentos o potencia necesarios.
  • Se ejecuta en la temperatura ambiente - esto es algo que ése suena trivial, solamente él real muy difícilmente lograr. Todas las reacciones pueden trabajar en la temperatura ambiente, que era lo que habilitada nos a dispensar con los instrumentos del laboratorio (por ejemplo, calefacción requerida por la polimerización en cadena).

¿Qué otros usos se podía esta mascarilla potencialmente aplicar?

Un uso inmediato podía ser que descubría y que vigilaba la extensión de las variantes COVID-19. Si las máscaras fueron enviadas a una población y a los resultados denunciados sobre un app, puede ser que poder conseguir un mapa extremadamente detallado de la extensión de una variante, habilitando decisiones políticas rápidas.

Si había una estación determinado mala de la gripe, estas máscaras se podrían potencialmente utilizar para distinguir entre la gripe y el frío común, habilitando la administración rápida de antivirals.

Hay la demostración de la investigación que las otras enfermedades e incluso cáncer se pueden descubrir a través de composiciones orgánicas volátiles exhaladas (VOCs). Si podríamos desarrollar biosensores para descubrir este VOCs, podría desplegar grandemente el alcance de cuál es perceptible más allá de patógeno respiratorios.

¿Usted cree que este biosensor usable nos ayudará a descubrir más lejos casos del coronavirus temprano el permitir de nosotros parar la extensión del virus?

Un defecto en nuestro pelado puesta estado de preparación global durante este pandémico era la falta de prueba rápida y sensible, que se retrasó grandemente detrás las infecciones de afluencia. Nuestra tecnología de la máscara podría permitir que aumentemos grandemente la frecuencia de prueba a donde necesita estar, habilitando la prueba potencialmente diaria teniendo un diagnóstico que es fácil de utilizar para la población en general sin la necesidad de un laboratorio (pues la prueba es totalmente independiente y requiere solamente la prensa de un botón).

Creemos que reduciendo la barrera a la prueba diagnóstica de modo que pueda ser realizada dondequiera por cualquier persona pero todavía ofrecer resultados robustos, podríamos aumentar drástico la densidad y la frecuencia de la prueba. Ésa sería una pieza del rompecabezas dominante que es necesaria parar este pandémico actual en sus carriles y contener cualquier brote futuro de la enfermedad antes de que se convierta en un pandémico.

Mascarilla

Mascarilla. Haber de imagen: MIT

¿Cuáles son los pasos siguientes en su investigación?

Dado el bajo costo, la conveniencia, la estabilidad del saliente, y el alto rendimiento de los diagnósticos de la mascarilla, pensamos que los fabricantes serán excitados para trabajar con nosotros para desarrollar una versión comercial de nuestro prototipo.

Estamos buscando activamente a socios comerciales para empeñar al diseño para la fabricación en masa de la mascarilla. Este proceso se podía acelerar muy con los socios y el apoyo gubernamental correctos. También estamos observando en las versiones que se convierten del sensor de la mascarilla que puede distinguir entre las variantes COVID-19.

¿Dónde pueden los programas de lectura encontrar más información?

Sobre el Dr. Peter Nguyen

Peter Nguyen recibió un B.S. en bioquímica y B.A. en filosofía de la Universidad de Texas, su M.Bs del instituto del graduado de Keck, y su Ph.D. en bioquímica de Rice University.El Dr. Peter Nguyen

En el instituto de Wyss, Peter trabaja actualmente en probiotics programable y tecnología de fabricación sin células liofilizada a través de las plataformas múltiples. Sus intereses de la investigación también incluyen los sistemas de ingeniería para el uno mismo-montaje y el mando exactos de las estructuras del nanoscale; ingeniería de la proteína para la biología sintetizada y los usos biomédicos.

 

Sobre el Dr. Luis R. Soenksen

Luis R. Soenksen es un experto serial del empresario y del aparato médico que actúa actualmente pues el constructor de la empresa del MIT primer en inteligencia artificial y la atención sanitaria, donde él está llevando el revelado y el lanzamiento de las empresas puntas múltiples del AI con la facultad y los estudiantes a través del MIT.

Luis lleva a cabo un Ph.D. en la ingeniería industrial del MIT, así como una licenciatura en la ingeniería biomédica del Instituto de Tecnología de Monterrey, y los masters en ciencias en bioingeniería de la Universidad John Hopkins. Su entrenamiento incluye diseño, revelado, y fabricación del aparato médico, así como prueba y despliegue clínicos de las empresas de la atención sanitaria.El Dr. Luis R. Soenksen

En la investigación, Luis ha hecho contribuciones importantes a los campos de la bioingeniería, de la educación del bio-diseño, de la ingeniería del tejido, de la biología sintetizada, y de la inteligencia artificial. El trabajo de Luis se ha publicado en varios gorrones de alto impacto tales como ciencia y naturaleza, la investigación que también ha llevado a varias tecnologías biomédicas patentadas y a cofundar de 4 empresas de nueva creación internacionalmente.

Emily Henderson

Written by

Emily Henderson

During her time at AZoNetwork, Emily has interviewed over 150 leading experts in all areas of science and healthcare including the World Health Organization and the United Nations. She loves being at the forefront of exciting new research and sharing science stories with thought leaders all over the world.

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