Pe măsură ce gripa aviară H5N1 înalt patogenă continuă să se răspândească în Statele Unite, reprezentând o ameninţare serioasă pentru sănătatea populaţiei, experţii în sănătate publică au nevoie de modalităţi mai bune de monitorizare a infecţiilor, în timp real, pentru a atenua epidemiile şi a reacţiona la focare. Noi dispozitive de urmărire a virusului pot monitoriza particulele de H5N1 din aer.
Recente cercetări ale unei echipe de la Universitatea Washington din St. Louis pun la dispoziţia celor care urmăresc virusurile o modalitate de a monitoriza particulele de H5N1 din aerosoli.
Pentru a crea senzorul pentru gripa aviară, cercetătorii din laboratorul politehnic de la WashU au lucrat cu biosenzori cu capacitate electrochimică pentru a îmbunătăţi viteza şi sensibilitatea detectării virusurilor şi bacteriilor.
Cercetarea este extrem de oportună, deoarece virusul aviar a luat o turnură periculoasă în ultimul an, fiind transmis prin intermediul particulelor din aer la mamifere, inclusiv la oameni. Virusul s-a dovedit letal la pisici şi a existat cel puţin un caz de deces la om din cauza H5N1.
„Acest biosenzor este primul de acest fel”, a declarat Rajan Chakrabarty, profesor de energie, mediu şi inginerie chimică în cadrul WashU, vorbind despre tehnologia utilizată pentru detectarea particulelor de virus şi bacterii din aer.
Oamenii de ştiinţă au fost nevoiţi anterior să utilizeze metode de detecţie mai lente cu instrumente ADN de reacţie în lanţ a polimerazei.
Cercetătorul a menţionat că metodele convenţionale de testare pot dura mai mult de 10 ore, „prea mult pentru a opri o epidemie”.
Noul biosenzor funcţionează în cinci minute, păstrând eşantionul de microbi pentru analize ulterioare şi oferind o gamă de niveluri de concentraţie ale agenţilor patogeni detectaţi, ceea ce permite o acţiune imediată, a indicat prof. Chakrabarty.
Timpul este esenţial în prevenirea unei epidemii virale. Când laboratorul a început să lucreze la această cercetare, H5N1 era transmisibil doar prin contact cu păsări infectate.
„Pe măsură ce această cercetare a evoluat, la fel a făcut şi virusul, suferind mutaţii”, a precizat el.
Statele Unite urmăresc sănătatea animalelor şi focarele de agenţi patogeni din ferme prin intermediul Serviciului de inspecţie pentru sănătatea animalelor şi plantelor (APHIS) al USDA, care a raportat ultima dată că au existat cel puţin 35 de cazuri noi de H5N1 la bovinele de lapte în patru state, majoritatea în California.
„Tulpinile sunt foarte diferite de această dată”, spune cercetătorul.
În cazul în care fermierii suspectează o boală, pot trimite animalul la laboratoarele departamentului agricol de stat pentru a fi testat. Asta înseamnă un proces lent, care poate fi şi mai întârziat din cauza numărului mare de cazuri pe măsură ce H5N1 se răspândeşte în fermele avicole şi de produse lactate.
Opţiunile de atenuare a epidemiei includ măsuri de biosecuritate, cum ar fi punerea animalelor în carantină, igienizarea instalaţiilor şi a echipamentelor, precum şi controale de protecţie pentru a limita expunerea animalelor, inclusiv sacrificarea în masă. De asemenea, USDA a emis recent o licenţă condiţionată pentru un vaccin împotriva gripei aviare, care ar putea oferi o uşurare suplimentară crescătorilor de păsări de curte.
Cercetătorii spun că sunt pregătiţi să introducă acest biosenzor în lume şi precizeazî că a fost construit pentru a fi portabil şi accesibil producţieie în masă.
Cum funcţionează
Unitatea integrată de prelevare şi detectare a agenţilor patogeni are dimensiunea unei imprimante de birou şi poate fi amplasată acolo unde fermele evacuează gazele de eşapament provenite de la adăposturile pentru pui sau vite.
Unitatea este „o minune inginerească interdisciplinară", spun cercetătorii. Aceasta constă într-un „prelevator de bioaerosoli cu ciclon umed” care a fost dezvoltat iniţial pentru prelevarea de aerosoli SARS-CoV-2. Aerul încărcat cu agenţi patogeni intră în prelevator la viteze foarte mari şi este amestecat cu fluidul care căptuşeşte pereţii prelevatorului pentru a crea un vortex de suprafaţă, prinzând astfel aerosolii de virus. Unitatea are un sistem automat de pompare care trimite fluidul prelevat la fiecare cinci minute la biosenzor pentru detectarea fără întrerupere a virusului.
Cercetătorii au optimizat suprafaţa biosenzorului electrochimic pentru a-i creşte sensibilitatea şi stabilitatea în vederea detectării virusului în cantităţi infime (mai puţin de 100 de copii de ARN viral pe metru cub de aer).
Biosenzorul utilizează „sonde de captare” numite aptameri, care sunt şiruri unice de ADN care se leagă de proteinele virusului, semnalându-le prezenţa. Marea provocare a echipei a fost găsirea unei modalităţi de a face ca aceşti aptameri să funcţioneze cu suprafaţa de 2 milimetri a unui electrod de carbon gol în detectarea agenţilor patogeni.
După luni de încercări şi erori, echipa a găsit reţeta potrivită pentru modificarea suprafeţei de carbon folosind o combinaţie de oxid de grafen şi nanocristale de albastru de Prusia pentru a creşte sensibilitatea şi stabilitatea biosenzorului. Etapa finală a implicat legarea suprafeţei modificate a electrodului de aptamer prin intermediul glutaraldehidei în formă reticulată, despre care cercetătorii spun că este „sosul secret” pentru funcţionalizarea suprafeţei unui electrod de carbon gol pentru detectarea H5N1.
Un mare avantaj al tehnicii de detecţie este faptul că este nedistructivă. După testarea prezenţei virusului, proba poate fi stocată pentru analize ulterioare prin tehnici convenţionale, cum ar fi testarea PCR.
Unitatea integrată de prelevare şi detectare a agenţilor patogeni funcţionează automat - o persoană nu trebuie să aibă cunoştinţe de biochimie pentru a o utiliza. Aceasta este realizată cu materiale accesibile şi uşor de produs în masă.
Biosenzorul poate furniza intervale de concentraţie ale H5N1 în aer şi poate alerta operatorii în timp real cu privire la vârfurile de boală. Cunoaşterea nivelurilor de agen viral poate fi utilizată ca un indicator general al „ameninţării” şi poate anunţa operatorii dacă echilibrul dintre agenţii patogeni a ajuns la niveluri periculoase.
Această capacitate de a oferi o gamă de concentraţii de virus este o altă „premieră” pentru tehnologia senzorilor.
Cel mai important, acesta poate fi extins pentru a găsi mulţi alţi agenţi patogeni periculoşi folosind un singur dispozitiv.
„Acest biosenzor este specific pentru H5N1, dar poate fi adaptat pentru a detecta alte tulpini de virus gripal (de exemplu, H1N1) şi SARS-CoV-2, precum şi bacterii (E. Coli şi pseudomonas) în faza de aerosoli”, a precizat prof. Chakrabarty.
Cercetătorii au demonstrat aceste capacităţi ale biosenzorului şi am raportat recent rezultatele, într-o ediţie specială a revistei ACS Sensors.
Echipa lucrează la comercializarea biosenzorului, împreună cu Varro Life Sciences, o companie de biotehnologie din St. Louis. Finanţarea pentru această cercetare a fost asigurată de Flu Lab.
