Il campo della tecnologia indossabile si sta rapidamente espandendo e potrebbe offrire delle opportunità per semplici e accurati rilevamenti di agenti patogeni anche fuori da un laboratorio. Da una tecnologia precedentemente sviluppata, è stato realizzato ad Harvard un biosensore integrabile in una mascherina per rilevare la presenza del virus SARS-CoV-2 in 90 minuti. Grazie alla possibilità di funzionare senza una sorgente di alimentazione e alla stabilità a temperatura ambiente per molti mesi, questa mascherina ingegnerizzata ha tutte le carte in regola per diventare fin da subito una potenziale arma contro la diffusione del virus e delle sue varianti.
La mascherina tech
Quando pensiamo al termine “indossabile” riferito alla tecnologia lo associamo ai braccialetti fitness, allo smartwatch o agli auricolari wireless.
Ma se le biotecnologie d’avanguardia fossero integrate nei tuoi vestiti, e potessero avvertirti quando sei stato esposto a qualcosa di pericoloso?
A tale proposito, una mascherina con i sensori per rilevare il virus SARS-CoV-2 sta per essere commercializzata da un team di ricercatori del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering al Massachussets Institute of Technology (MIT) e all’Università di Harvard. Il team è riuscito ad incorporare le reazioni della biologia sintetica nella stoffa, creando dei biosensori indossabili e personalizzabili. La mascherina, attivabile con un pulsante, fornisce risultati in 90 minuti a dei livelli di precisione paragonabili a quelli di un test PCR. Inoltre, non ha bisogno di una sorgente di alimentazione ed è stabile a temperatura ambiente per molti mesi (Figura 1).
Abbiamo essenzialmente ridotto un’intera diagnostica di laboratorio in un piccolo sensore biologicamente sintetico che funziona con qualunque mascherina, e combina l’elevata precisione dei test PCR con la velocità e la convenienza dei test antigenici. Oltre alle mascherine, i nostri biosensori programmabili possono essere integrati in qualsiasi altro indumento per fornire un rilevamento on-the-go delle sostanze pericolose come virus, batteri, tossine e agenti chimici.
Peter Nguyen, principale autore e scienziato ricercatore presso il Wyss Institute for Biologically Inspired Technology dell’Università di Harvard.
Si tratta quindi di un test diagnostico accurato, veloce e low-cost, utile soprattutto per gli operatori sanitari in prima linea, dato che possono facilmente interpretare i risultati senza l’ausilio di un particolare strumento da laboratorio.
L’innovazione dietro le mascherine: addio alla componente cellulare
Il biosensore SARS-CoV-2 è il culmine di tre anni di lavoro su quella che il team chiama tecnologia wFDCF (wearable freeze-dried cell-free – i.e., tecnologia indossabile liofilizzata senza cellule), precedentemente sviluppata da Jim Collins, professore del MIT e membro fondatore del Wyss Institute.
La tecnica consiste nell’estrazione e liofilizzazione dei macchinari molecolari che le cellule utilizzano per leggere il DNA e produrre RNA e proteine. Questi elementi biologici possono essere conservati per lunghi periodi di tempo e attivarli è semplice: basta aggiungere acqua. Dei circuiti genetici sintetici possono essere aggiunti per generare biosensori in grado di produrre un segnale rilevabile in risposta alla presenza di una molecola target.
Questa tecnologia era stata applicata per la prima volta alla diagnostica nel 2015, integrandola in uno strumento per affrontare l’epidemia del virus Zika. I ricercatori avevano creato dei biosensori in grado di rilevare le molecole RNA derivate da agenti patogeni e li avevano associati a una proteina indicatrice colorata e fluorescente, quindi avevano incorporato il circuito genetico nella carta realizzando così una diagnostica portatile, economica e precisa (Figura 2). Dopo essere riusciti ad integrare i loro biosensori nella carta con successo, il seguente step consisteva nel renderli indossabili.
Altri gruppi di ricerca hanno creato dispositivi indossabili in grado di rilevare biomolecole, ma per tutte queste tecniche era necessaria la presenza di cellule vive nel dispositivo stesso, come se l’utente indossasse un piccolo acquario. Nel caso in cui l’acquario si fosse rotto, le cellule ingegnerizzate sarebbero fuoriuscite addosso alla persona, e a nessuno piace questa idea.
Peter Nguyen
Così Peter Nguyen, assieme al suo team di ricerca, ha iniziato a indagare se la loro tecnologia wFDCF potesse risolvere questo problema, testandolo metodicamente su più di 100 diversi tipi di tessuti.
Il passaggio da dispositivi indossabili a mascherine
Mentre i ricercatori stavano ultimando i loro studi sui sensori indossabili all’inizio del 2020, il COVID-19 ha iniziato a diffondersi in tutto il mondo. Così, si è subito presentata l’occasione di adoperare la loro tecnologia per creare una diagnostica in grado di contrastare il virus SARS-CoV-2.
Volevamo contribuire allo sforzo globale di combattere il virus, e ci è venuta l’idea di integrare la tecnologia wFDCF nelle mascherine per rilevare il SARS-CoV-2- L’intero progetto è stato realizzato in quarantena o in rigido distanziamento a maggio 2020. Abbiamo lavorato sodo, qualche volta portando a casa dell’attrezzatura non biologica e assemblando dispositivi manualmente. È stata un’esperienza diversa rispetto all’abituale utilizzo delle infrastrutture da laboratorio, ma ogni cosa che abbiamo fatto ci ha aiutato ad assicurarci il corretto funzionamento dei sensori nelle reali condizioni di pandemia.
Louis Soenksen, primo autore dell’articolo, Ph.D., borsista al Wyss Institute.
Il principio di funzionamento della mascherina prevede tre diverse reazioni biologiche liofilizzate, che vengono attivate in sequenza dal rilascio di acqua da un serbatoio una volta premuto un pulsante (Figura 3).
- La prima reazione apre la membrana del virus SARS-CoV-2 per esporlo al suo RNA;
- La seconda reazione è una fase di amplificazione, che fa numerose copie a doppio filamento del gene di codifica Spike dall’RNA virale;
- La reazione finale utilizza la tecnologia SHERLOCK basata su CRISPR per rilevare eventuali frammenti di gene Spike, e, in risposta a questa azione, taglia una molecola sonda in due pezzi più piccoli che vengono poi riportati attraverso una striscia di prova di flusso laterale.
La presenza o l’assenza di frammenti Spike disponibili per il taglio è dovuta al fatto che il paziente presenta il SARS-Cov-2 nel respiro. Questa differenza viene mostrata in un diverso schema di linee che appare sulla parte di lettura del dispositivo, simile a un test di gravidanza portatile.
La mascherina wFDCF è il primo test dell’acido nucleico SARS-CoV-2 che raggiunge alti tassi di precisione paragonabili, agli attuali gold standard dei test RT-PCR.
Il dispositivo funziona perfettamente a temperatura ambiente, eliminando la necessità di strumenti di riscaldamento o raffreddamento, e consentendo il rapido screening dei campioni di pazienti al di fuori del laboratorio.
Aspettative future: oltre la pandemia
Nel loro articolo, i ricercatori dimostrano che una rete di cavi in fibra ottica può essere integrata nella tecnologia wFCDF per rilevare la luce fluorescente generata dalle reazioni biologiche, indicando il rilevamento di una molecola target con un alto livello di precisione. Questo segnale digitale può essere inviato ad un’applicazione per smartphone che consente a chi lo indossa di monitorare la loro esposizione ad una vasta gamma di sostanze.
Tale tecnologia potrebbe essere incorporata in camici di laboratorio per scienziati che lavorano con materiali pericolosi o patogeni, scrub per medici e infermieri, o nelle uniformi dei soccorritori e del personale militare che potrebbero essere esposti a patogeni pericolosi o tossine, come il gas nervino.
Nina Donghia, co-autrice dello studio, scienziata del Wyss Institute.
In questo momento, il team è attivamente alla ricerca di partner che siano interessati a contribuire alla produzione di massa della mascherina diagnostica per usarla durante la pandemia COVID-19, così come anche per rilevare altri rischi biologici e ambientali.
Ancora nessuno è completamente al sicuro dal COVID-19 e indossare questo tipo di mascherine potrebbe avere un impatto positivo sulla società. Dato che sempre più ambienti sia al chiuso e all’aperto richiedono il Green Pass, la mascherina faciliterebbe i controlli grazie alla sua doppia funzionalità (i.e., protezione e rilevamento virus) e potrebbe essere adattata per rilevare nuovi tipi di varianti, dando così la possibilità di controllare la pandemia nel lungo periodo.
Fonti e approfondimenti:
- Nature – Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection
- Wyss Institute – Face masks that can diagnose COVID-19
- BioSpace – Diagnostic Face Mask Detects SARS-CoV-2 Quickly, with PCR-Like Accuracy
