Новое устройство способно за 5 минут обнаружить наличие вируса SARS-CoV-2 в помещении

Теперь, когда чрезвычайная фаза пандемии COVID-19 завершилась, ученые ищут способы обследования помещений на наличие вирусов в режиме реального времени.

Объединив последние достижения в технологии отбора проб аэрозолей и сверхчувствительный метод биосенсинга, исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе создали монитор реального времени, способный примерно за 5 минут обнаружить в помещении любой из вариантов вируса SARS-CoV-2.

Недорогое устройство, созданное в рамках экспериментальной разработки, можно использовать в больницах и медицинских учреждениях, школах и общественных местах для обнаружения вируса CoV-2 и потенциального мониторинга аэрозолей других респираторных вирусов, таких как грипп и респираторно-синцитиальный вирус (RSV). Результаты работы над монитором, который, по словам ученых, является самым чувствительным из существующих детекторов, опубликованы 10 июля в журнале Nature Communications.

В состав междисциплинарной группы исследователей из Инженерной школы Маккелви и Медицинской школы входят Раджан Чакрабарти, доцент кафедры энергетического, экологического и химического машиностроения Инженерной школы Маккелви Т (Harold D. Jolley Career Development Associate Professor), Джозеф Путуссери, постдокторский научный сотрудник лаборатории Чакрабарти, Джон Чиррито, профессор неврологии Медицинской школы, и Карла Юэде, доцент психиатрии Медицинской школы.

В настоящее время нет ничего, что могло бы сказать нам, насколько безопасна та или иная комната, — сказал Циррито.

Если вы находитесь в комнате с сотней других людей, то врядли вам поможет информация о том, заболеете ли вы, спустя пять дней. Идея этого устройства заключается в том, что вы можете сейчас, в режиме реального времени или каждые 5 минут узнавать, есть в помещении живой вирус.

Циррито и Юэде ранее разработали микроиммуноэлектродный (MIE) биосенсор, который обнаруживает амилоид-бета в качестве биомаркера болезни Альцгеймера, и задались вопросом, можно ли его преобразовать в детектор для SARS-CoV-2. Они обратились к Чакрабарти, который собрал команду, в которую вошел Путхусери, имеющий опыт создания приборов реального времени для измерения токсичности воздуха.

Чтобы перестроить биосенсор с обнаружения амилоида бета на коронавирус, исследователи заменили антитело, распознающее амилоид бета, на нанотело из ламы, распознающее белок вируса SARS-CoV-2. Дэвид Броди, доктор медицины, доктор философии, бывший преподаватель кафедры неврологии Школы медицины и автор статьи, разработал нанотело в своей лаборатории в Национальном институте здоровья (NIH). По словам исследователей, нанотело имеет небольшие размеры, легко воспроизводится и модифицируется, а его производство обходится недорого.

Электрохимический подход на основе нанотела позволяет быстрее обнаружить вирус, поскольку не требует реагентов и большого количества этапов обработки, — сказал Юэде.

SARS-CoV-2 связывается с нанотелами на поверхности, и мы можем вызвать окисление тирозинов на поверхности вируса с помощью метода вольтамперометрии квадратных волн, чтобы получить измерение количества вируса в образце.

Чакрабарти и Путуссери интегрировали биосенсор в пробоотборник воздуха, работа которого основана на технологии мокрого циклона. Воздух поступает в пробоотборник с очень высокой скоростью и центробежно перемешивается с жидкостью, покрывающей стенки пробоотборника, создавая поверхностный вихрь и тем самым задерживая аэрозоли вирусов. Пробоотборник с мокрым циклоном оснащен автоматическим насосом, который собирает жидкость и направляет ее в биосенсор для беспрепятственного обнаружения вируса с помощью электрохимии.

Проблема с аэрозольными детекторами заключается в том, что уровень содержания вируса в воздухе помещений настолько разбавлен, что даже приближается к пределу обнаружения полимеразной цепной реакции (ПЦР) и напоминает поиск иголки в стоге сена, — говорит Чакрабарти.

Высокую степень извлечения вирусов мокрым циклоном можно объяснить чрезвычайно высокой скоростью потока, что позволяет ему отбирать больший объем воздуха за 5 минут по сравнению с серийно выпускаемыми пробоотборниками.

По словам Путуссери, большинство коммерческих пробоотборников биоаэрозолей работают при относительно низкой скорости потока, в то время как монитор, разработанный группой, имеет скорость потока около 1000 литров в минуту, что делает его одним из самых высокопроизводительных устройств. Кроме того, он компактен — около 1 фута в ширину и 10 дюймов в высоту, а при обнаружении вируса загорается индикатор, предупреждая администраторов.

Группа исследователей протестировала монитор в квартирах двух COVID-положительных пациентов. Результаты ПЦР в реальном времени проб воздуха из спален сравнивались с пробами воздуха, взятыми в контрольной комнате, свободной от вируса. Приборы обнаружили РНК вируса в пробах воздуха из спален, но не обнаружили ее в контрольных пробах воздуха.

В лабораторных экспериментах, в ходе которых SARS-CoV-2 в виде аэрозоля попадал в камеру размером с комнату, мокрый циклон и биосенсор смогли обнаружить различные уровни концентрации вируса в воздухе уже через несколько минут после отбора проб.

Мы начали с SARS-CoV-2, но планируется также измерять концентрации вирусов гриппа, RSV, риновируса и других основных патогенов, которыми обычно заражаются люди, — сказал Чиррито.

В больничных условиях монитор может быть использован для измерения стафилококка или стрептококка, которые вызывают всевозможные осложнения у пациентов. Это может оказать существенное влияние на здоровье людей.

Группа работает над коммерциализацией монитора качества воздуха.

10.07.2023