Detección de COVID-19 mediante biosensores basados ​​en nanotubos de carbono

La pandemia de coronavirus (2019), causada por el rápido brote del síndrome respiratorio agudo severo coronavirus-2 (SARS-CoV-2), se ha cobrado millones de vidas en todo el mundo. Los científicos han desarrollado muchas medidas farmacéuticas y no farmacéuticas para combatir esta epidemia. Entre ellos, el desarrollo de vacunas y tratamientos eficaces y herramientas de diagnóstico rápidas y fiables puede ayudar enormemente a gestionar la crisis. La nanotecnología ha jugado un papel vital durante la pandemia. Este artículo se centra en el papel de los nanotubos de carbono en el desarrollo de biosensores para la detección del SARS-CoV-2.

Crédito de la imagen: angellodeco / Shutterstock.com

El SARS-CoV-2 consiste en un ARN genómico de cadena positiva grande que codifica proteínas adicionales y cuatro proteínas estructurales (pico, envoltura, membrana y nucleocápside). La función principal del dominio S1 de la proteína espiga es unirse a la enzima convertidora de angiotensina 2 (ACE2) de la célula huésped, mientras que el dominio S2 promueve la fusión de la membrana, lo que lleva a la infección.

Este virus es altamente contagioso, es decir, se transmite fácilmente por contacto, gotitas, vía oral, heces y contaminación del aire de madres a recién nacidos y de animales a humanos. Para evitar una mayor propagación del virus, la detección temprana es muy importante.

Aunque se recomienda la reacción en cadena de la polimerasa en tiempo real (qPCR) para la detección del SARS-CoV-2, este método requiere equipos costosos, personal capacitado y requiere mucho tiempo. Esto evita la detección temprana y rápida del virus, un aspecto importante del tratamiento de COVID-19.

Se han desarrollado sensores basados ​​en nanotubos de carbono que prometen ser herramientas de diagnóstico rápidas y altamente eficientes para la infección por SARS-CoV-2.

Nanotubos de carbono (CNT)

Los nanotubos de carbono son nanomateriales basados ​​en carbono que poseen muchas propiedades únicas. Son cilindros huecos de nanómetros de espesor, increíblemente duros y duraderos debido a los enlaces carbono-carbono.

Los nanotubos de carbono están disponibles en dos formas: nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) o múltiples capas de grafito que forman nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT). Es térmicamente estable, fluoresce naturalmente cuando se expone a la luz láser y tiene propiedades electrónicas que se han aprovechado en el desarrollo de sensores eficientes.

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Detección de SARS-CoV-2 sin anticuerpos

Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts han diseñado recientemente un nuevo sensor basado en la tecnología de sensor de nanotubos de carbono que es capaz de detectar rápidamente el SARS-CoV-2 sin necesidad de anticuerpos o reactivos.

La principal ventaja de este sensor es que puede evitar muchos pasos que requieren mucho tiempo, como la producción y purificación de anticuerpos. Los investigadores confían en que este nuevo sensor no solo diagnosticará COVID-19 con precisión, sino que también detectará otros virus que tienen el potencial de causar epidemias en el futuro.

Un diagnóstico rápido podría aliviar las restricciones de viaje, ya que las personas pueden ser examinadas antes de abordar un avión, y esto podría ayudar a evitar que el virus se propague más, dijo Michael Strano, profesor de ingeniería química en el Instituto Carbon B Dobbs del MIT.

Anteriormente, los investigadores que trabajaban en el laboratorio de Strano afirmaron que los sensores podrían desarrollarse envolviendo nanotubos de carbono en diferentes polímeros que responden a moléculas diana específicas (biomarcadores) reconociéndolas químicamente.

El nuevo sensor COVID-19, también conocido como Reconocimiento molecular de fase corona (CoPhMoRe), se basa en este enfoque.

CoPhMoRe contiene polímeros anfifílicos, en los que las regiones hidrofóbicas se encuentran en los tubos como anclajes, y las regiones hidrofílicas forman una serie de bucles que se extienden desde los tubos.

La disposición del anillo juega un papel importante, ya que solo un cierto tipo de molécula objetivo puede caer en los espacios entre los anillos. Esta correlación cambia la intensidad de la longitud de onda de la fluorescencia producida por el nanotubo de carbono. A principios de este año, Strano Lab e InnoTech Precision Medicine (una empresa de herramientas de diagnóstico con sede en Boston) recibieron una subvención de los Institutos Nacionales de Salud para desarrollar un biosensor CoPhMoRe para detectar proteínas SARS-CoV-2.

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Es importante destacar que este sensor puede detectar tanto la cápside nuclear como la proteína de pico del SARS-CoV-2. Como se mencionó anteriormente, este dispositivo es muy preciso y sensible; Puede detectar 2,4 pg de proteína viral por mililitro de muestra en cinco minutos. Curiosamente, este dispositivo puede identificar proteínas nucleares en muestras de saliva.

La proteína de pico no se puede detectar a partir de una muestra de saliva porque la saliva contiene carbohidratos y enzimas que interfieren con la detección de proteínas, razón por la cual la mayoría de los diagnósticos de COVID-19 requieren hisopos nasales.

Detección de SARS-CoV-2 por anticuerpos

Estudios anteriores han demostrado que los biosensores electrónicos CNT de efecto de campo (FET) CNT pueden detectar eficazmente iones metálicos, biomoléculas (hormonas), virus y células completas. Recientemente, los científicos han desarrollado un nuevo biosensor electroquímico basado en un transistor de efecto de campo de nanotubos de carbono (CNT-FET) para detectar el virus COVID-19.

CNT-FET permite la detección digital de antígenos SARS-CoV-2 S1 en muestras de saliva. De acuerdo con el desarrollo de este biosensor, los SWCNT con anticuerpo anti-SARS-CoV-2 S1 inmovilizado se depositan en la superficie de SiO2 entre los canales de SD (drenaje de la fuente) usando un enlazador de éster succinimidílico del ácido 1-pirenobutanoico (PBASE) a través del enlace no covalente reacción.

Los investigadores utilizaron la hibridación de ARN como generador de señal principal, y utilizaron un FET de red CNT de apertura líquida como transductor de señal. Para desarrollar este biosensor, los investigadores utilizaron un antígeno S1 del SARS-CoV-2 disponible comercialmente para analizar la salida eléctrica del biosensor CNT-FET.

Esta tecnología puede distinguir eficazmente el SARS-CoV-2 de otros coronavirus que contienen el antígeno SARS-CoV-1 S1 o MERS-CoV S1. Además, se ha demostrado que es muy sensible y puede detectar rápidamente la infección por COVID-19 utilizando muestras de saliva.

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conclusión

Los biosensores basados ​​en CNT, con y sin anticuerpos, han demostrado una alta eficiencia con respecto a la detección rápida y precisa del SARS-CoV-2. Un sistema de detección rápida ayudaría a separar a las personas infectadas de las no infectadas y evitaría la propagación de la infección por COVID-19.

El diagnóstico temprano promoverá el tratamiento del SARS-CoV-2 sin demora. Estos métodos de diagnóstico son precisos, baratos y una alternativa confiable a las técnicas de diagnóstico actuales.

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Referencias y lecturas adicionales

Zamzam por la mañana et al. (2021) Un biosensor basado en nanotubos de carbono de efecto de campo (CNT-FET) para la detección rápida de la proteína de superficie S1 del SARS-CoV-2 (COVID-19). Bioquímica. 143. 107982. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2021.107982

Thanihichlvan, M .; et al. (2021) Detección selectiva y electrónica de COVID-19 (Coronavirus) utilizando un biosensor basado en transistor de efecto de nanocampo de carbono: un estudio de prueba de concepto. Procedimientos del día físico. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.05.011

Lim, YW y otros. (2021) Biosensores emergentes para la detección del síndrome respiratorio agudo severo coronavirus 2 (SARS-CoV-2): una revisión. Sensores biométricos. 11 (11), pág. 434; Disponible en: https://doi.org/10.3390/bios11110434

Trafton, a. (2021) El sensor basado en nanotubos de carbono puede detectar proteínas SARS-CoV-2. Instituto de Tecnología de Massachusetts. [Online] Disponible en: https://news.mit.edu/2021/carbon-nanotube-covid-detect-1026

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