Una nueva mascarilla facial desarrollada en el MIT puede diagnosticar al usuario con COVID-19 en 90 minutos.
Los nuevos sensores portátiles y la mascarilla facial de diagnóstico se basan en una tecnología que comenzó a desarrollarse hace varios años.
Las mascarillas incorporan diminutos sensores desechables que pueden acoplarse a otras mascarillas faciales y que también podrían adaptarse para detectar otros virus.
Ingenieros del MIT y de la Universidad de Harvard han diseñado una novedosa mascarilla facial que puede diagnosticar al usuario con COVID-19 en unos 90 minutos. Las mascarillas incorporan diminutos sensores desechables que pueden acoplarse a otras mascarillas faciales y que también podrían adaptarse para detectar otros virus.
Los sensores se basan en la maquinaria celular liofilizada que el equipo de investigación desarrolló previamente para su uso en diagnósticos en papel de virus como el ébola y el zika. En un nuevo estudio, los investigadores demostraron que los sensores podían incorporarse no solo a mascarillas faciales, sino también a prendas como batas de laboratorio, lo que podría ofrecer una nueva forma de vigilar la exposición de los profesionales sanitarios a diversos 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, incluidos neurotoxinas. Prevemos que esta plataforma podría posibilitar biosensores portátiles de nueva generación para primeros intervinientes, personal sanitario y personal militar», afirma James Collins, catedrático Termeer de Ingeniería y Ciencias Médicas en el Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas (IMES) del MIT y en el Departamento de Ingeniería Biológica, y autor principal del estudio.
Los sensores de la mascarilla están diseñados para que la persona que la lleva pueda activarlos cuando esté lista para realizar la prueba, y los resultados solo se muestran en la parte interior de la mascarilla, para preservar la privacidad del usuario.
Peter Nguyen, investigador científico de la Universidad de Harvard en el Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada en la Biología, y Luis Soenksen, Venture Builder del Clinic for Machine Learning in Health Abdul Latif Jameel del MIT y antiguo posdoctorado en el Instituto Wyss, son los autores principales del artículo, que se publica hoy en Nature Biotechnology.
Sensores portátiles
Los nuevos sensores portátiles y la mascarilla facial de diagnóstico se basan en una tecnología que Collins comenzó a desarrollar hace varios años. En 2014, demostró que las proteínas y los ácidos nucleicos necesarios para crear redes genéticas sintéticas que reaccionan a moléculas diana específicas podían incorporarse al papel, y utilizó este enfoque para crear diagnósticos en papel para el ébola y el zika . En un trabajo realizado en 2017 con el laboratorio de Feng Zhang, Collins desarrolló otro sistema de sensores libres de células, conocido como SHERLOCK, que se basa en enzimas CRISPR y permite la detección altamente sensible de ácidos nucleicos.
Estos componentes de circuitos libres de células se liofilizan y permanecen estables durante muchos meses, hasta que se rehidratan. Cuando se activan con agua, pueden interactuar con su molécula diana, que puede ser cualquier secuencia de ARN o ADN, así como 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 textiles, con el objetivo de crear una bata de laboratorio para profesionales sanitarios u otras personas con posible exposición a patógenos.
En primer lugar, Soenksen llevó a cabo un cribado de cientos de tipos diferentes de tejidos, desde algodón y poliéster hasta lana y seda, para averiguar cuáles podrían ser compatibles con este tipo de sensor. «Acabamos identificando un par de ellos que se utilizan con gran frecuencia en la industria de la moda para la confección de prendas», afirma. «El que resultó mejor fue una combinación de poliéster y otras fibras sintéticas».
Para fabricar los sensores portátiles, los investigadores incorporaron sus componentes liofilizados en una pequeña sección de este tejido sintético, donde quedan rodeados por un anillo de elastómero de silicona. Esta compartimentación impide que la muestra se evapore o se difunda fuera del sensor. Para demostrar la tecnología, los investigadores crearon una chaqueta con unos 30 de estos sensores incorporados.
Demostraron que una pequeña salpicadura de líquido que contiene partículas virales, que imita la exposición a un paciente infectado, puede hidratar los componentes celulares liofilizados y activar el sensor. Los sensores pueden diseñarse para producir distintos tipos de señales, como un cambio de color visible a simple vista o una señal fluorescente o luminiscente, que puede leerse con un espectrómetro de mano. Los investigadores también diseñaron un espectrómetro portátil que podría integrarse en el tejido, donde puede leer los resultados y transmitirlos de forma inalámbrica a un dispositivo móvil.
«Esto ofrece un ciclo de retroalimentación de información que puede vigilar la exposición ambiental y alertarle a usted y a otras personas sobre la exposición y el lugar donde se produjo», afirma Nguyen.
Una mascarilla facial de diagnóstico
Cuando los investigadores estaban terminando su trabajo sobre los sensores portátiles a comienzos de 2020, la COVID-19 comenzó a propagarse por todo el mundo, por lo que decidieron rápidamente intentar utilizar su tecnología para crear un diagnóstico del virus SARS-CoV-2.
Para producir su mascarilla facial de diagnóstico, los investigadores incorporaron sensores SHERLOCK liofilizados en una mascarilla de papel. Al igual que en los sensores portátiles, los componentes liofilizados están rodeados de elastómero de silicona. En este caso, los sensores se colocan en la parte interior de la mascarilla, de modo que pueden detectar partículas virales en el aliento de la persona que la lleva.
La mascarilla incluye también un pequeño depósito de agua que se libera al pulsar un botón cuando la persona que la lleva está lista para realizar la prueba. Esto hidrata los componentes liofilizados del sensor del SARS-CoV-2, que analiza las gotas de aliento acumuladas en la parte interior de la mascarilla y produce un resultado en 90 minutos.
«Esta prueba es tan sensible como el estándar de referencia, las pruebas de PCR altamente sensibles, pero es tan rápida como las pruebas de antígenos que se utilizan para un análisis rápido de la COVID-19», afirma Nguyen.
Los prototipos desarrollados en este estudio cuentan con sensores en la parte interior de la mascarilla para detectar el estado del usuario, así como sensores colocados en la parte exterior de las prendas para detectar la exposición procedente del entorno. Los investigadores también pueden sustituir los sensores por otros para detectar otros patógenos, como la gripe, el ébola y el zika, o por sensores que han desarrollado para detectar agentes nerviosos organofosforados.
«Mediante estas demostraciones hemos reducido, en esencia, la funcionalidad de las instalaciones de pruebas moleculares de última generación a un formato compatible con escenarios portátiles en diversas aplicaciones», afirma Soenksen.
Los investigadores han presentado una solicitud de patente sobre la tecnología y ahora esperan trabajar con una empresa para seguir desarrollando los sensores. Lo más probable es que la mascarilla facial sea la primera aplicación que podría comercializarse, afirma Collins.
«Creo que la mascarilla facial es probablemente la más avanzada y la más cercana a un producto. Ya hemos recibido mucho interés de grupos externos que desearían tomar los esfuerzos de prototipado que tenemos y llevarlos a un producto aprobado y comercializado», afirma.
La investigación fue financiada por la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa; el Paul G. Allen Frontiers Group; el Instituto Wyss; Johnson and Johnson Innovation JLABS; el Ragon Institute of MGH, MIT and Harvard; y la Fundación Patrick J. McGovern.
