Barbijo que detecta Covid-19 inicia una revolución en la indumentaria

Al principio de la pandemia, cuando tomaba días obtener los resultados de una prueba de Covid-19, y relativamente pocas personas se hacían la prueba, los investigadores del MIT y Harvard comenzaron a trabajar en una idea de adaptar sensores portátiles que podían detectar la enfermedad mientras estaban integrados en un tapabocas y dar un diagnóstico en 1 hora y media. 

“Si las pruebas y la detección a nivel biológico molecular se pudieran realizar en un formato que pueda seguir a las personas en lugar de que las personas tengan que ir a la clínica, tal vez pueda alentar a las personas a que se realicen más pruebas”, es la propuesta de Luis Soenksen, desde la Clínica Abdul Latif Jameel, del MIT, especializada en el Aprendizaje Automático en Salud.

En un más reciente estudio publicado en Nature Biotechnology, los investigadores demostraron que sus máscaras o barbijos de diagnóstico funcionan tan bien como las pruebas estándar de hisopado que se hace en los laboratorios.

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Luis Soenksen, también científico investigador en el Instituto Wyss, de Harvard, especializado en Ingeniería Inspirada Biológicamente, reflexionó ante Adele Peters: "Básicamente, tienes que usar una máscara de todos modos. Entonces, ¿por qué no haces que ese tapabocas te haga el control al mismo tiempo?".

Los sensores se basan en una estructura celular liofilizada que el equipo de investigación había desarrollado previamente para su uso en diagnósticos de virus como el Ébola y el Zika utilizando como soporte el papel. 

Según la Real Academia Española, 'liofilizar' significa separar el agua de una sustancia, o de una disolución, mediante congelación y posterior sublimación a presión reducida del hielo formado, para dar lugar a un material esponjoso que se disuelve posteriormente con facilidad. Se utiliza en la deshidratación de los alimentos, materiales biológicos y otros productos sensibles al calor.

En un nuevo estudio, los investigadores demostraron que los sensores podrían incorporarse no solo en máscaras faciales, sino también en indumentaria tal como batas de laboratorio, lo que podría ofrecer una nueva forma de monitorear la exposición de los trabajadores de la salud a una variedad de patógenos u otras amenazas.

"Hemos demostrado que podemos liofilizar una amplia gama de sensores de biología sintética para detectar ácidos nucleicos virales o bacterianos, así como sustancias químicas tóxicas, incluidas las toxinas nerviosas. Prevemos que esta plataforma podría habilitar biosensores portátiles de próxima generación para los socorristas, el personal de atención médica y el personal militar", explicó James Collins, profesor Termeer de Ingeniería y Ciencia Médica en el Instituto y Departamento de Ingeniería y Ciencia Médicas (IMES) del MIT, autor principal del estudio.

Una historia

Wikipedia afirma que la liofilización fue descubierta por los indígenas de Sudamérica, quienes preservaban alimentos machacádolos y dejándolos a la intemperie en las montañas de Los Andes.

El proceso de liofilización fue re-inventado en 1906 por Arsène d'Arsonval y su asistente Frédéric Bordas en el laboratorio de biofísica del Collège de France en París.

En 1911, Downey Harris desarrolló​ el método de liofilización para preservar vivo el virus de la rabia, lo que llevó al desarrollo de la primera vacuna antirrábica. 

La liofilización moderna se desarrolló durante la 2da. Guerra Mundial. El suero sanguíneo que fue enviado a Europa desde USA para el tratamiento médico de los heridos requirió refrigeración, pero debido a la falta simultánea de refrigeración y transporte, muchos de esos suministros se estropeaban antes de llegar a sus destinatarios. 

El proceso de liofilización se desarrolló como una técnica comercial que permitió que el suero se volviera químicamente estable y viable sin tener que ser refrigerado. 

Poco después, el proceso de liofilización se aplicó a la penicilina y los huesos, y la liofilización se reconoció como una técnica importante para la conservación de productos biológicos. 

Desde entonces, la liofilización se ha utilizado como técnica de conservación o procesamiento de una amplia variedad de productos, aplicándose al procesamiento de alimentos,​ y a los productos farmacéuticos y kits de diagnóstico, restauración de documentos dañados por el agua, preparación de lodos de fondos fluviales para el análisis de hidrocarburos, fabricación de cerámicas utilizadas en las industrias de los semiconductores, etc. etc.

En 2021

Los sensores de la máscara facial están diseñados para que el usuario los pueda activar cuando esté listo para realizar la prueba, y los resultados solo se muestran en el interior de la máscara, para la privacidad del usuario.

Los nuevos sensores portátiles y la máscara facial de diagnóstico se basan en tecnología que James Collins comenzó a desarrollar hace varios años. 

En 2014, él demostró que las proteínas y los ácidos nucleicos necesarios para crear redes de genes sintéticos que reaccionen a moléculas objetivo específicas podrían incrustarse en papel, y utilizó este enfoque para crear diagnósticos en papel para los virus del Ébola y Zika. 

En el trabajo con el laboratorio de Feng Zhang, en 2017, Collins desarrolló otro sistema de sensores sin células, conocido como SHERLOCK, que se basa en enzimas CRISPR y permite la detección altamente sensible de ácidos nucleicos.

(Sobre CRISPR ya informó Urgente24).

Estos componentes del circuito sin células se liofilizan y permanecen estables durante muchos meses, hasta que se rehidratan. Cuando se activan con agua, pueden interactuar con su molécula objetivo, que puede ser cualquier secuencia de ARN o ADN, así como con otros tipos de moléculas, y producir una señal como un cambio de color.

Más recientemente, Collins y sus colegas comenzaron a trabajar en la incorporación de estos sensores en los productos textiles, con el objetivo de crear una bata de laboratorio para los trabajadores de la salud u otras personas con posible exposición a patógenos.

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La nueva indumentaria

Soenksen realizó una pantalla de cientos de diferentes tipos de tejidos, desde algodón y poliéster hasta lana y seda, para averiguar cuál podría ser compatible con este tipo de sensor. “Terminamos identificando una mezcla que se usa mucho en la industria de la moda para la confección de prendas”: una combinación de poliéster y otras fibras sintéticas.

Para fabricar sensores portátiles, los investigadores incorporaron sus componentes liofilizados en una pequeña sección de esta tela sintética, donde están rodeados por un anillo de elastómero de silicona. Esta compartimentación evita que la muestra se evapore o se difunda fuera del sensor. Para demostrar la tecnología, los investigadores crearon una chaqueta incrustada con 30 de estos sensores.

Ellos demostraron que una pequeña salpicadura de líquido que contiene partículas virales, imitando la exposición a un paciente infectado, puede hidratar los componentes celulares liofilizados y activar el sensor. 

Los sensores pueden diseñarse para producir diferentes tipos de señales, incluido un cambio de color que se puede ver a simple vista, o una señal fluorescente o luminiscente, que se puede leer con un espectrómetro de mano. 

Los investigadores también diseñaron un espectrómetro portátil que podría integrarse en la tela, donde puede leer los resultados y transmitirlos de forma inalámbrica a un dispositivo móvil.

“Esto le brinda un ciclo de retroalimentación de información que puede monitorear su exposición ambiental y alertarlo a usted ya otros sobre la exposición y dónde ocurrió”, dice Peter Nguyen, científico investigador del Wyss Institute for Biological Inspired Engineering de la Universidad de Harvard.

Una mascarilla de diagnóstico

Cuando los investigadores estaban terminando su trabajo con los sensores portátiles a principios de 2020, Covid-19 comenzó a extenderse, por lo que rápidamente decidieron intentar usar su tecnología para crear un diagnóstico para el virus SARS-CoV-2.

Para producir su máscara facial de diagnóstico, los investigadores incorporaron sensores SHERLOCK liofilizados en una máscara de papel.

Al igual que con los sensores portátiles, los componentes liofilizados están rodeados de elastómero de silicona. En este caso, los sensores se colocan en el interior del barbijo, para que puedan detectar partículas virales en el aliento de la persona que lleva la máscara.

La máscara también incluye un pequeño depósito de agua que se libera con solo presionar un botón cuando el usuario está listo para realizar la prueba. Esto hidrata los componentes liofilizados del sensor SARS-CoV-2, que analiza las gotas de aire acumuladas en el interior de la máscara y produce un resultado en 90 minutos.

"Esta prueba es tan sensible como el estándar: las pruebas de PCR de alta sensibilidad. Pero es tan rápida como las pruebas de antígeno que se utilizan para el análisis rápido de Covid-19", dice Nguyen.

Los prototipos desarrollados en este estudio cuentan con sensores en el interior de la máscara para detectar el estado de un usuario, así como sensores colocados en el exterior de las prendas para detectar la exposición del entorno. Los investigadores también pueden intercambiar sensores por otros patógenos, como la influenza, el Ébola y el Zika, o sensores que han desarrollado para detectar agentes nerviosos organofosforados.

“A través de estas demostraciones, esencialmente hemos reducido la funcionalidad de las instalaciones de prueba molecular de última generación a un formato compatible con escenarios portátiles en una variedad de aplicaciones”, dice Soenksen.

Los investigadores han solicitado una patente sobre la tecnología y ahora esperan trabajar con una empresa para desarrollar aún más los sensores. La mascarilla es probablemente la primera aplicación que podría estar disponible, dice Collins.

La investigación fue financiada por la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa; el Grupo de Fronteras Paul G. Allen; el Instituto Wyss; Johnson and Johnson Innovation JLABS; el Instituto Ragon de MGH, MIT y Harvard; y la Fundación Patrick J. McGovern.