مهندسان MIT با استفاده از نانولوله‌های کربنی تخصصی، حسگر جدیدی طراحی کرده اند که می‌تواند SARS-CoV-۲ را بدون هیچ گونه آنتی بادی تشخیص دهد و در عرض چند دقیقه نتیجه دهد. به گفته محققان، حسگر جدید آن‌ها مبتنی بر فناوری است که می‌تواند به سرعت تشخیص‌های سریع و دقیق، نه فقط برای COVID-۱۹ بلکه برای همه‌گیری‌های آینده ایجاد کند.
می‌گوید: "آزمایش سریع به این معنی است که در یک بیماری همه‌گیر آینده می‌توانید خیلی زودتر سفر را باز کنید. می‌توانید افرادی را که از هواپیما پیاده می‌شوند بررسی کنید و تعیین کنید که آیا آن‌ها باید قرنطینه شوند یا نه. شما می‌توانید به طور مشابه افرادی را که وارد محل کارشان می‌شوند و ... بررسی کنید. " مایکل استرانو، پروفسور کربن پی دابز در مهندسی شیمی در MIT و نویسنده ارشد این مطالعه. ما هنوز فناوری‌ای نداریم که بتواند چنین حسگر‌هایی را با سرعت کافی توسعه داده و به کار گیرد تا از ضرر اقتصادی جلوگیری کند.
این تشخیص مبتنی بر فناوری حسگر نانولوله کربنی است که آزمایشگاه Strano قبلاً توسعه داده بود. هنگامی که محققان کار بر روی سنسور COVID-۱۹ را آغاز کردند، تنها ۱۰ روز طول کشید تا نانولوله کربنی اصلاح شده‌ای را شناسایی کنند که قادر به تشخیص انتخابی پروتئین‌های ویروسی مورد نظر آن‌ها بود و سپس آن را آزمایش کرده و آن را در یک نمونه اولیه ادغام کرد. این رویکرد همچنین نیاز به آنتی‌بادی‌ها یا دیگر معرف‌هایی را که برای تولید، خالص‌سازی و در دسترس قرار دادن آن‌ها زمان‌بر هستند، از بین می‌برد.
سویون چو، فوق دکترای MIT و دانشجوی فارغ التحصیل شیائوجیا جین، نویسندگان اصلی این مقاله هستند که امروز در شیمی تحلیلی منتشر می‌شود. سایر نویسندگان شامل دانشجویان فارغ التحصیل MIT سونگیون یانگ و جیانچیائو کوئی و فوق دکترا سون گونگ هستند.
تشخیص مولکولی
چندین سال پیش، آزمایشگاه Strano یک رویکرد جدید برای طراحی حسگر‌ها برای انواع مولکول‌ها ایجاد کرد. تکنیک آن‌ها بر نانولوله‌های کربنی متکی است - سیلندر‌های توخالی با ضخامت نانومتر ساخته شده از کربن که به طور طبیعی در معرض نور لیزر فلورسانس می‌شوند. آن‌ها نشان داده‌اند که با پیچاندن چنین لوله‌هایی در پلیمر‌های مختلف، می‌توانند حسگر‌هایی ایجاد کنند که با شناسایی شیمیایی مولکول‌های هدف، به آن‌ها پاسخ می‌دهند.
رویکرد آن‌ها که به عنوان شناسایی مولکولی فاز کرونا (CoPhMoRe) شناخته می‌شود، از پدیده‌ای بهره می‌برد که زمانی رخ می‌دهد که انواع خاصی از پلیمر‌ها به یک نانوذره متصل می‌شوند. این مولکول‌ها که به عنوان پلیمر‌های آمفی‌فیلیک شناخته می‌شوند، دارای مناطق آبگریز هستند که مانند لنگر‌ها به لوله‌ها می‌چسبند و مناطق آبدوست که مجموعه‌ای از حلقه‌ها را تشکیل می‌دهند که از لوله‌ها دور می‌شوند.
این حلقه‌ها لایه‌ای به نام تاج را در اطراف نانولوله تشکیل می‌دهند. بسته به آرایش حلقه ها، انواع مختلفی از مولکول‌های هدف می‌توانند در فضا‌های بین حلقه‌ها فرو بروند و این اتصال هدف، شدت یا اوج طول موج فلورسانس تولید شده توسط نانولوله کربنی را تغییر می‌دهد.
در اوایل سال جاری، Strano و InnoTech Precision Medicine، یک توسعه‌دهنده تشخیصی مستقر در بوستون، کمک مالی موسسه ملی بهداشت برای ایجاد حسگر CoPhMoRe برای پروتئین‌های SARS-CoV-۲ دریافت کردند. محققان در آزمایشگاه Strano قبلاً استراتژی‌هایی را توسعه داده بودند که به آن‌ها امکان می‌داد پیش‌بینی کنند که کدام پلیمر‌های آمفی‌فیلیک با یک مولکول هدف خاص بهترین تعامل را دارند، بنابراین آن‌ها توانستند به سرعت مجموعه‌ای از ۱۱ نامزد قوی برای SARS-CoV-۲ تولید کنند.
در حدود ۱۰ روز پس از شروع پروژه، محققان حسگر‌های دقیقی را برای نوکلئوکپسید و پروتئین اسپایک ویروس SARS-CoV-۲ شناسایی کردند. در آن زمان، آن‌ها همچنین توانستند حسگر‌ها را در یک دستگاه نمونه اولیه با نوک فیبر نوری که می‌تواند تغییرات فلورسانس نمونه زیست سیال را در زمان واقعی تشخیص دهد، ترکیب کنند. این امر نیاز به ارسال نمونه به آزمایشگاه را که برای تست تشخیصی PCR استاندارد طلایی برای COVID-۱۹ لازم است، حذف می‌کند.
این دستگاه در حدود پنج دقیقه نتیجه می‌دهد و می‌تواند غلظت‌های کمتر از ۲.۴ پیکوگرم پروتئین ویروسی در هر میلی‌لیتر نمونه را تشخیص دهد. در آزمایش‌های اخیری که پس از ارسال این مقاله انجام شد، محققان به محدودیت تشخیص کمتر از آزمایش‌های سریعی که اکنون به صورت تجاری در دسترس هستند، دست یافته‌اند.
محققان همچنین نشان دادند که این دستگاه می‌تواند پروتئین نوکلئوکپسید SARS-CoV-۲ (اما نه پروتئین سنبله) را زمانی که در بزاق حل می‌شود، تشخیص دهد. تشخیص پروتئین‌های ویروسی در بزاق معمولاً دشوار است، زیرا بزاق حاوی کربوهیدرات‌های چسبنده و مولکول‌های آنزیم گوارشی است که در تشخیص پروتئین اختلال ایجاد می‌کنند، به همین دلیل است که اکثر تشخیص‌های COVID-۱۹ نیاز به سواب بینی دارند.
چو می‌گوید: «این سنسور بالاترین محدوده تشخیص، زمان پاسخ و سازگاری با بزاق را حتی بدون طراحی آنتی بادی و گیرنده نشان می‌دهد. این یکی از ویژگی‌های منحصر به فرد این نوع طرح شناسایی مولکولی است که طراحی و آزمایش سریع، بدون محدودیت زمان توسعه و زنجیره تأمین یک آنتی‌بادی معمولی یا گیرنده آنزیمی، امکان‌پذیر است.»
پاسخ سریع
استرانو می‌گوید سرعتی که محققان توانستند یک نمونه اولیه را توسعه دهند نشان می‌دهد که این رویکرد می‌تواند برای توسعه سریع‌تر تشخیص در طول همه‌گیری‌های آینده مفید باشد.
او می‌گوید: ما می‌توانیم از کسی که نشانگر‌های ویروسی را به ما می‌دهد به یک حسگر فیبر نوری کارآمد در مدت زمان بسیار کوتاهی برسیم.
حسگر‌هایی که برای شناسایی پروتئین‌های ویروسی به آنتی‌بادی‌ها متکی هستند، که اساس بسیاری از آزمایش‌های سریع کووید-۱۹ را تشکیل می‌دهند که اکنون در دسترس هستند، توسعه آن‌ها بسیار بیشتر طول می‌کشد، زیرا فرآیند طراحی آنتی‌بادی پروتئین مناسب بسیار زمان‌بر است.
محققان برای ثبت اختراع این فناوری به امید اینکه بتوانند برای استفاده به عنوان تشخیص COVID-۱۹ تجاری شوند، ثبت کرده اند. Strano همچنین امیدوار است که این فناوری را بیشتر توسعه دهد تا بتواند به سرعت در پاسخ به بیماری‌های همه گیر آینده به کار گرفته شود.
