¿Cómo se pueden detectar las partículas donde viaja el COVID-19? Esto hacen los científicos

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Un creciente cuerpo de investigación muestra que el SARS-CoV-2, el virus que causa el COVID-19, puede transmitirse de persona a persona a través del aire. Los espacios interiores con poca ventilación en áreas donde el virus es prevalente son particularmente peligrosos.

En el mundo ficticio de Star Trek, los funcionarios de salud pública y los socorristas podrían determinar instantáneamente si un espacio tenía una concentración peligrosa de virus en el aire y cualquier otro patógeno, simplemente moviendo un 'tricorder'.

Esa tecnología, imaginada hace 60 años, todavía está firmemente en el ámbito de la ficción. Sin embargo, varios laboratorios de investigación están trabajando en dispositivos que pueden detectar rápidamente patógenos específicos en el aire, incluido el SARS-CoV-2.

El aire que respiramos

La detección de la presencia de partículas de virus en el aire se complica por la mezcla de otras partículas en el aire. La atmósfera incluye una gran cantidad de partículas flotantes, una fracción significativa de las cuales son biológicas. Normalmente, con cada respiración, inhalas alrededor de mil partículas biológicas.

Estos bioaerosoles incluyen organismos vivos y muertos, incluidos virus, bacterias, hongos, polen y desechos de plantas y animales. Los virus son las más pequeñas de estas partículas. Varían en tamaño de 10 a 300 nanómetros, o millonésimas de milímetro.

Por el contrario, los glóbulos rojos tienen un diámetro promedio de 6 a 8 micrones, o de 6 mil a 8 mil nanómetros. Las bacterias varían de 1 a 4 micrones y los hongos de 5 a 10 micrones. Los desechos de plantas y animales son generalmente de más de 10 micrones.

La mayoría de estas partículas biológicas no son un problema de salud, porque la mayoría son fragmentos de plantas y animales, incluidos los humanos. Sin embargo, solo se necesita una pequeña cantidad de microbios peligrosos para producir una pandemia.

Identificación de microbios de malas noticias

Para comprender la amenaza potencial de los bioaerosoles, es importante identificar la pequeña fracción de microbios patógenos o problemáticos de entre todos los bioaerosoles presentes.

La identificación de bioaerosol comienza con la captura de partículas biológicas del aire, típicamente recolectando partículas en un filtro, en un vial de líquido o en hidrogeles.

A menudo, los investigadores transfieren los bioaerosoles recolectados a un medio de cultivo diseñado para apoyar el crecimiento de microbios. La forma en que los microbios responden a un medio de cultivo específico (el tamaño, la forma, el color y la tasa de crecimiento de la colonia de microbios) puede indicar la especie de microbio.

Este proceso puede durar varios días o semanas y, a menudo, no es efectivo. Resulta que los científicos solo pueden identificar alrededor del 1 por ciento de los microbios en el aire con este enfoque.

Cada vez más, los científicos confían en análisis basados ​​en genes para mapear virus y otros microorganismos recolectados en muestras de aire.

Una técnica popular para el análisis basado en genes es la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que utiliza una reacción enzimática para hacer muchas copias de un gen específico o una porción de un gen de modo que la secuencia genética (ADN o ARN) pueda detectarse en una muestra.

Se puede diseñar una prueba de PCR para detectar secuencias de genes específicas de un microorganismo de modo que la detección de la secuencia sea igual a la identificación del microorganismo.

Esta técnica es actualmente el estándar para detectar la presencia de SARS-CoV-2 a partir de muestras de hisopos nasales. Los métodos basados ​​en PCR son muy precisos para identificar patógenos.

La tecnología de secuenciación de próxima generación hace posible secuenciar rápidamente genomas completos de organismos. Usando estas técnicas, los investigadores ahora tienen la capacidad de comprender la población completa de microorganismos, su diversidad y abundancia, en el aire.

Detección rápida

A pesar de estos avances, aún queda mucho trabajo por hacer para poder identificar instantáneamente la presencia de patógenos en el aire. Las técnicas actuales para identificar microbios son caras, requieren equipo especializado e implican largos pasos de procesamiento.

Tampoco pueden detectar una especie a partir de pequeñas cantidades de material genético.

Los avances recientes, sin embargo, son prometedores para el desarrollo de sensores que pueden proporcionar información rápida sobre bioaerosoles.

Un enfoque utiliza la fluorescencia inducida por láser. En esta técnica, las partículas se iluminan con luz de un color o longitud de onda particular, y solo las partículas biológicas responden mediante fluorescencia o emisión de luz.

Esta técnica se puede utilizar para identificar y cuantificar la presencia de partículas biológicas en el aire en tiempo real, pero no diferencia entre un microbio seguro y uno dañino.

Otro avance es el uso de espectrometría de masas para la detección de bioaerosoles. En esta técnica, una sola partícula de bioaerosol se separa con un láser y los fragmentos moleculares se analizan inmediatamente para determinar la composición molecular de las partículas.

Los investigadores también están utilizando sensores basados ​​en espectroscopía Raman. La espectroscopia Raman puede identificar la composición molecular a partir de la luz reflejada en las muestras sin destruir las muestras.

Gran desafío en un paquete pequeño

Estas técnicas están avanzando en la detección e identificación instantánea de bacterias y hongos en el aire, pero son menos eficientes en la detección de virus, incluido el SARS-CoV-2.

Esto se debe principalmente a que los virus son muy pequeños, lo que dificulta su recolección con muestreadores de aire y dificulta la realización de análisis de PCR dada la pequeña cantidad de ADN / ARN.

Los investigadores están trabajando para abordar las limitaciones de la detección de virus en el aire. En nuestro laboratorio de la Universidad de Clarkson, hemos desarrollado un sensor y recolector de bioaerosol de bajo costo para el muestreo de bioaerosol a gran escala.

Este muestreador que funciona con baterías utiliza una fuente de alto voltaje de tamaño micro para ionizar virus, bacterias y hongos en el aire y recogerlos en una superficie. La ionización da a las partículas biológicas una carga eléctrica. Darle a la superficie de recolección la carga opuesta hace que las partículas se adhieran a la superficie.

Las muestras de nuestro recolector se pueden analizar con nuevos secuenciadores portátiles de ADN / ARN, lo que permite la detección de bioaerosoles casi en tiempo real con equipos portátiles de bajo costo.

¿Dónde está mi 'tricorder'?

Estos avances pronto podrían hacer posible la detección de un patógeno conocido, como el SARS-CoV-2, con un dispositivo portátil. Pero todavía están lejos de ser un tricorder.

Por un lado, requieren niveles relativamente altos de un patógeno para su detección. Ser capaz de identificar un virus como el SARS-CoV-2 en niveles más bajos que, no obstante, son suficientes para la transmisión de enfermedades, requerirá el desarrollo de sensores con límites de detección más bajos. Además, estos sensores solo se pueden personalizar para detectar patógenos específicos, no para buscar todos los posibles patógenos.

Aunque el equivalente del 'tricorder' en Star Trek no está a la vuelta de la esquina, la necesidad de un dispositivo de este tipo nunca ha sido mayor.

Ahora es un momento oportuno para la aparición de nuevas técnicas de detección que aprovechan los espectaculares avances que se están realizando en los campos de la electrónica, la informática y la bioinformática. Cuando surja el próximo patógeno nuevo, sería bueno tener un 'tricorder' a mano.

 

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