Desarrollan un revolucionario sensor capaz de detectar el virus de la gripe aviar en aire en solo 5 minutos

A medida que la influenza aviar H5N1 altamente patógena continúa propagándose en los EE. UU., se plantean serias amenazas para las granjas lecheras y avícolas, y para los ganaderos y los expertos en salud pública, que necesitan mejores formas de monitorear las infecciones, en tiempo real, para mitigar y responder a los brotes. Ahora, gracias a una investigación sobre "detección de aliento", los rastreadores de virus tienen una forma de monitorear las partículas de aerosol de H5N1.

Para crear su sensor de gripe aviar, los investigadores trabajaron con biosensores capacitivos electroquímicos para mejorar la velocidad y la sensibilidad de la detección de virus y bacterias.

Su trabajo llega en un momento crucial, ya que el virus aviar ha tomado un giro peligroso durante el último año al transmitirse a través de partículas en el aire a mamíferos, incluidos los humanos. Se ha demostrado que el virus es mortal en gatos y ha habido al menos un caso de muerte humana a causa del H5N1.

“Este biosensor es el primero de su tipo”, afirmó Chakrabarty, profesor de ingeniería energética, ambiental y química en la Escuela de Ingeniería McKelvey, refiriéndose a la tecnología utilizada para detectar partículas de virus y bacterias en el aire. Antes, los científicos tenían que utilizar métodos de detección más lentos con herramientas de ADN basadas en la reacción en cadena de la polimerasa.

Un revolucionario sensor para detectar gripe aviar en aire en solo 5 minutos

Chakrabarty señaló que los métodos de prueba convencionales pueden tardar más de 10 horas, “demasiado tiempo para detener un brote”.

El nuevo biosensor funciona en cinco minutos, preserva la muestra para su posterior análisis y proporciona un rango de los niveles de concentración de patógenos detectados en una granja. Esto permite una acción inmediata, explicaron los autores.

El tiempo es esencial para prevenir un brote viral. Cuando el laboratorio comenzó a trabajar en esta investigación, el H5N1 solo se transmitía a través del contacto con aves infectadas.

Estados Unidos monitorea la salud animal y los brotes de patógenos en las granjas a través del Servicio de Inspección de Sanidad Animal y Vegetal del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA), que informó por última vez que en los últimos 30 días hubo al menos 35 nuevos casos de H5N1 en ganado lechero en cuatro estados, principalmente en California. “Las tensiones son muy diferentes esta vez”, comentaba Chakrabarty.

Si los ganaderos sospechan que el animal está enfermo, pueden enviarlo a los laboratorios del departamento de agricultura del estado para que lo analicen. Sin embargo, es un proceso lento que puede demorarse aún más debido a la acumulación de casos a medida que el H5N1 se apodera de las granjas avícolas y lecheras. Las opciones de mitigación incluyen medidas de bioseguridad como la cuarentena de los animales, la desinfección de las instalaciones y el equipo y controles de protección para limitar la exposición de los animales, incluido el sacrificio masivo. El USDA también emitió recientemente una licencia condicional para una vacuna contra la gripe aviar, que podría proporcionar un alivio adicional a los avicultores ansiosos por reducir los precios de los huevos.

Chakrabarty está listo para presentar este biosensor al mundo y explicó que fue construido para ser portátil y asequible para la producción en masa.

Cómo funciona el sensor

La unidad integrada de detección y muestreo de patógenos tiene aproximadamente el tamaño de una impresora de escritorio y se puede colocar en los lugares donde las granjas ventilan los gases de escape de los gallineros o los establos de ganado. La unidad es una maravilla de ingeniería interdisciplinaria que consiste en un "muestreador de bioaerosoles de ciclón húmedo" que originalmente se desarrolló para muestrear aerosoles de SARS-CoV-2.

El aire cargado de patógenos ingresa al muestreador a velocidades muy altas y se mezcla con el fluido que recubre las paredes del muestreador para crear un vórtice en la superficie, atrapando así los aerosoles del virus. La unidad tiene un sistema de bombeo automatizado que envía el fluido muestreado cada cinco minutos al biosensor para una detección perfecta del virus.

Los autores emprendieron la laboriosa tarea de optimizar la superficie del biosensor electroquímico para aumentar su sensibilidad y estabilidad para la detección del virus en cantidades traza (menos de 100 copias de ARN viral por metro cúbico de aire).

El biosensor utiliza “sondas de captura” llamadas aptámeros, que son cadenas simples de ADN que se unen a las proteínas del virus y las marcan. El gran desafío del equipo fue encontrar una manera de lograr que estos aptámeros funcionen con la superficie de 2 milímetros de un electrodo de carbono desnudo para detectar los patógenos.

Después de meses de ensayo y error, el equipo descubrió la receta correcta para modificar la superficie del carbono utilizando una combinación de óxido de grafeno y nanocristales de azul de Prusia para aumentar la sensibilidad y la estabilidad del biosensor. El paso final consistió en unir la superficie del electrodo modificado al aptámero mediante un agente reticulante llamado glutaraldehído, que según comentaron es la "salsa secreta" para funcionalizar la superficie de un electrodo de carbono desnudo para detectar el H5N1.

Agregaron que una gran ventaja de la técnica de detección del equipo es que no es destructiva. Después de realizar la prueba para detectar la presencia de un virus, la muestra podría almacenarse para su posterior análisis mediante técnicas convencionales como la PCR.

La unidad integrada de detección y muestreo de patógenos funciona de forma automática: no es necesario que una persona tenga conocimientos de bioquímica para utilizarla. Está fabricada con materiales asequibles y fáciles de producir en masa. El biosensor puede proporcionar rangos de concentración de H5N1 en el aire y alertar a los operadores sobre picos de enfermedades en tiempo real. En este sentido, celebraron que el conocimiento de los niveles se puede utilizar como un indicador general de "amenaza" en una instalación y permite a los operadores saber si el equilibrio de patógenos ha alcanzado niveles peligrosos.

Esa capacidad de ofrecer una gama de concentraciones de virus es otra “primicia” para la tecnología de sensores. Lo más importante es que potencialmente puede ampliarse para encontrar muchos otros patógenos peligrosos, todo en un solo dispositivo.

“Este biosensor es específico para el H5N1, pero se puede adaptar para detectar otras cepas del virus de la gripe (por ejemplo, el H1N1) y el SARS-CoV-2, así como bacterias (E. coli y pseudomonas) en la fase de aerosol”, matizó Chakrabarty.