La maggior parte delle persone associano il termine “indossabili” con un inseguitore di fitness, SmartWatch, o auricolari wireless. Ma cosa succede se si può indossare l’ultima biotech nei vostri vestiti, e potrebbe avvisare l’utente quando si è esposti a qualcosa di pericoloso?

Un team di ricercatori provenienti da Wyss Institute dell’Università di Harvard per bioispirati Ingegneria e il MIT hanno trovato un modo per incorporare le interazioni biologia sintetica in tessuti, creando biosensori indossabili che possono essere personalizzati per rilevare gli agenti patogeni e tossine e avviso a chi l’indossa.

Il team ha incorporato questa tecnologia in maschere standard per rilevare la presenza di SARS-CoV-2 virus in respiro di un paziente. La maschera pulsante attivato dà risultati entro 90 minuti con livelli di precisione simili ai test diagnostici standard basati sul DNA come reazione a catena della polimerasi (PCR). Obiettivo segnalato in الإبلاغ Biotecnologie naturali.

“Abbiamo essenzialmente ridotto un intero laboratorio diagnostico a un piccolo sensore sintetico basato sulla biologia che funziona con qualsiasi maschera facciale e combina l’elevata precisione dei test PCR con la velocità e il basso costo dei test antigenici”, ha affermato il co-primo autore. Peter Nguyen, Ph.D., è uno scienziato di ricerca presso l’Istituto Wyss. “Oltre alle maschere per il viso, i biosensori programmabili possono essere integrati in altri indumenti per fornire il rilevamento in movimento di materiali pericolosi tra cui virus, batteri, tossine e agenti chimici”.

Elimina le cellule dall’equazione

Il biosensore SARS-CoV-2 è il culmine di tre anni di lavoro su quella che il team chiama la loro tecnologia wearable cell-free e liofilizzazione (wFDCF), che si basa su precedenti iterazioni costruite nella facoltà del Wyss Core Lab e l’autore senior Jim Collins. Questa tecnologia prevede l’estrazione, il congelamento e l’essiccazione delle macchine molecolari che le cellule utilizzano per leggere il DNA e produrre RNA e proteine. Questi elementi biologici sono stabili per lunghi periodi di tempo e la loro attivazione è semplice: basta aggiungere acqua. È possibile aggiungere circuiti genetici sintetici per creare biosensori in grado di produrre un segnale rilevabile in risposta alla presenza della molecola bersaglio.

I ricercatori hanno prima applicazione di questa tecnologia per la diagnostica incorporando in uno strumento per affrontare l’epidemia di virus Zika nel 2015. Hanno creato biosensori in grado di rilevare molecole di RNA patogeni di derivazione, li legano ad una proteina indicatore colorato o fluorescente, e quindi integrare la genetica circuito. su carta per creare una diagnosi economica, accurata e portatile. Dopo aver incorporato con successo i biosensori nella carta, hanno deciso di renderli indossabili.

“Altri gruppi hanno creato dispositivi indossabili in grado di rilevare le biomolecole, ma tutte queste tecnologie hanno richiesto ponendo cellule vive nel indossabile per sé, come se l’utente indossavano un piccolo acquario. Se questo acquario ha rotto, gli insetti ingegnerizzati potrebbero infiltrarsi nella indossabile dispositivo stesso”, ha detto Nguyen. A nessuno piace questa idea. “Lui e colleghi hanno deciso di indagare se la loro tecnologia wFDCF potesse risolvere questo problema, testandola sistematicamente in più di 100 diversi tipi di tessuti.

Poi è arrivata la pandemia di COVID-19.

Passare dai wearable alle mascherine

“Volevamo contribuire allo sforzo globale per combattere il virus e abbiamo avuto l’idea di integrare il wFDCF nelle maschere facciali per rilevare SARS-CoV-2. L’intero progetto è stato svolto in stretta quarantena o distanza sociale a partire da maggio. 2020. Abbiamo lavorato sodo, a volte introducendo non apparecchiature. Era certamente diverso dalla solita infrastruttura di laboratorio in cui lavoravamo, ma tutto ciò che abbiamo fatto ha contribuito a garantire che i sensori funzionassero effettivamente – ha affermato il co-primo autore Louis Swinksen, Ph. Wyss.

La squadra invitato ogni risorsa che era disponibile a loro all’Istituto Wyss per creare maschere per rilevare COVID-19, compresi i dispositivi conduttive sviluppati nel laboratorio del docente nucleo Peng Yin e sensori SHERLOCK sviluppati Collins Lab. Il prodotto finale è costituito da tre diverse reazioni biologiche liofilizzate che vengono attivate in sequenza rilasciando acqua dal serbatoio tramite la semplice pressione di un pulsante.

La prima reazione taglia la membrana del virus SARS-CoV-2 per esporre il suo RNA. La seconda reazione è una fase di amplificazione che fa molte doppie copie del gene codificato Spike da RNA virale. La reazione finale utilizza la tecnologia SHERLOCK basata su CRISPR per rilevare eventuali frammenti del gene Spike e, in risposta, tagliare la molecola della sonda in due pezzi più piccoli che vengono quindi riportati tramite una striscia della sonda a flusso laterale. Se non ci sono frammenti del punto disponibili per il taglio dipende dal fatto che il paziente ha SARS-CoV-2 sul loro respiro. Questa differenza si riflette in variazioni di un semplice schema di linee che appaiono sulla porzione di lettura del dispositivo, simile ad un test di gravidanza.

La maschera facciale wFDCF è il primo test dell’acido nucleico SARS-CoV-2 a raggiungere tassi di accuratezza elevati rispetto agli attuali test RT-PCR standard di riferimento mentre funziona completamente a temperatura ambiente, eliminando la necessità di strumenti di riscaldamento o raffreddamento e consentendo un rapido esame del paziente campioni al di fuori dei laboratori.

“Questo lavoro mostra che cell-free tecnologia di biologia sintetica liofilizzato può essere estesa a dispositivi indossabili e sfruttata per nuove applicazioni diagnostiche, tra cui lo sviluppo di una maschera diagnostica. Sono particolarmente orgoglioso di come la nostra squadra si è riunita durante la pandemia “, ha affermato Collins, PhD, che è anche professore. Termeer per l’ingegneria medica e la scienza al MIT, “per creare soluzioni implementabili per alcune delle sfide di test del mondo”.

Dopo la pandemia di COVID-19

La diagnosi della maschera facciale è in qualche modo la ciliegina sulla torta per il team, che ha dovuto superare molte sfide per rendere la sua tecnologia veramente indossabile, inclusa la cattura di goccioline di una sostanza liquida all’interno di un dispositivo flessibile e discreto e la prevenzione dell’evaporazione. La diagnostica della maschera facciale elimina i componenti elettronici a favore della facilità di fabbricazione e del basso costo, ma l’incorporazione di componenti più permanenti nel sistema apre una vasta gamma di altre possibili applicazioni.

Nel loro articolo, i ricercatori dimostrano che una rete di cavi in ​​fibra ottica può essere incorporata nella loro tecnologia wFCDF per rilevare la luce fluorescente generata da reazioni biologiche, indicando il rilevamento della molecola bersaglio con un alto livello di precisione. Questo segnale digitale può essere inviato ad un’applicazione smartphone che consente all’utente di monitorare la loro esposizione ad una vasta gamma di sostanze.

“Questa tecnologia potrebbe essere incorporata in camici da laboratorio per scienziati che lavorano con materiali pericolosi o agenti patogeni, camici per medici e infermieri o uniformi per i primi soccorritori e il personale militare che possono essere esposti a pericolosi agenti patogeni o tossine, come il gas nervino”, ha affermato. . Nina Dungia, co-autrice, scienziata al The Wyss Institute.

Il team è attivamente alla ricerca di partner di produzione interessati ad aiutare a consentire la produzione di massa di maschere facciali diagnostiche da utilizzare durante la pandemia di COVID-19, nonché a scoprire altri rischi biologici e ambientali.

“L’ingegnosità e la dedizione di questo team nel creare uno strumento utile per combattere un’epidemia mortale mentre opera in condizioni senza precedenti è di per sé impressionante. Ma ciò che è ancora più impressionante è che questi biosensori indossabili possono essere applicati a una varietà di minacce alla salute diverse dalla SARS- Don Ingber, MD, direttore fondatore del The Wyss Institute CoV-2, e noi del Wyss Institute siamo desiderosi di collaborare con i produttori commerciali per realizzare questo potenziale.Ingber è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso la Harvard Medical School e Boston Children’s Hospital, e professore di bioingegneria presso la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences di Harvard.