Не могли бы вы представиться и рассказать, что вдохновило вас на исследование коронавирусной болезни 2019 года (COVID-19)?

Питер Нгуен – научный сотрудник Института Висса при Гарвардском университете, а Луис Соенксен – научный сотрудник и основатель венчурного фонда клиники ИИ и здравоохранения Массачусетского технологического института им. Джамиля.

Наша лаборатория в Массачусетском технологическом институте / Гарварде (https://www.collinslab.mit.edu/) в настоящее время сосредоточена на способах переноса передовых биологических схем, области, известной как «синтетическая биология», из лаборатории в повседневную жизнь. технология. Это побудило нас сосредоточиться на носимых устройствах, содержащих биосенсоры.

Текущие коммерчески доступные носимые устройства (например, FitBit или Apple Watch) обнаруживают физиологические сигналы электронным способом. Однако они не могут обнаружить воздействие патогена или токсина. Это то, что в настоящее время требует целой лаборатории для обработки образцов.

Наши датчики теперь могут дать те же возможности тестирования носимым устройствам для обнаружения и идентификации патогенов (любых бактерий или вирусов), а также токсинов. По сути, наша технология превращает всю лабораторию в носимую одежду в миниатюре. Когда разразилась пандемия, мы немедленно переключили нашу работу на разработку носимого устройства, которое могло бы обнаруживать COVID-19 ненавязчивым, недорогим и быстрым способом.

<img alt=" Вирус SARS-CoV-2 "height =" 563 "src =" https://d2jx2rerrg6sh3.cloudfront.net/image-handler/picture/2021/7/shutterstock_1661919928.jpg "title = "Вирус SARS-CoV-2" width = "1000" />

Вирус SARS-CoV-2. Изображение предоставлено: Dotted Yeti / Shutterstock.com

Почти 4 миллиона человек умерли до вспышки COVID-19. Почему так важно, чтобы исследователи и организации объединились и работали вместе, чтобы помочь усовершенствовать наши методы обнаружения и предотвращения?

Сотрудничество в рамках исследовательского сообщества путем обмена данными, идеями и конструктивной обратной связью необходимо для обеспечения того, чтобы в нашем распоряжении было разнообразие подходов и технологий. Мы все чудесным образом строим друг друга, и удивительная технология вакцины, возникшая в результате этой пандемии, является тому примером.

Наша технология обнаружения / мониторинга должна наверстать упущенное. Нам очень помогли вдумчивые дискуссии с исследователями в разных областях и клиницистами. Это особенно важно для такого междисциплинарного проекта, как этот.

Что такое биосенсоры и как они могут обнаруживать патогены и токсины?

Биосенсоры используют инженерные генетические схемы для создания сенсоров и детекторов для желаемой молекулярной мишени с помощью биологии, в отличие от электронных / механических / оптических сенсоров. Мы считаем, что биосенсоры уникально подходят для обнаружения патогенов и токсинов, поскольку они наиболее способны напрямую взаимодействовать с этими молекулярными компонентами.

Наши физиологические реакции на эти угрозы в основе своей имеют биологический характер. Путем реинжиниринга взаимодействий между биологическими молекулами могут быть созданы высокочувствительные сенсоры. Биосенсоры сделают возможным следующее поколение искусственно созданных носимых устройств, обладающих способностями к восприятию, аналогичными способностям нашей собственной кожи или иммунной системы.

Вы работали над этой носимой лиофилизированной бесклеточной технологией (wFDCF) более трех лет и впервые применили ее к бумаге. С какими проблемами вы столкнулись, пытаясь воссоздать этот биосенсор, чтобы его можно было носить, и как вы их преодолели?

Наша работа над маской для лица от COVID-19 определенно основана на нашей предыдущей бумажной диагностике Эболы и Зика. Эти тесты продемонстрировали технологию сублимационной сушки, но по-прежнему требовали, чтобы обученный пользователь подготовил образец, нанес его на бумагу и инструменты для его обработки. В нашей текущей работе мы хотели сосредоточиться на автономной работе технологии с автоматическим сбором проб, интегрированной подготовкой проб и минимальным вмешательством пользователя.

Для лицевой маски все, что нужно сделать пользователю, чтобы активировать датчик, чтобы начать анализ, – это нажать кнопку. Эти различные препятствия были нетривиальными, и нам потребовалось несколько лет на разработку. Большой проблемой, с которой мы столкнулись, было испарение, поскольку реакции FDCF нуждаются в воде для работы. Большая часть разработок носимых устройств заключалась в разработке датчиков для минимизации испарения при сохранении гибкости и целостности с окружающей средой за счет использования специально разработанных гидрофобных эластомерных камер для датчиков.

Кроме того, в датчиках лицевых масок использовалась более сложная конструкция с множеством реакций, требующая задержек по времени, чтобы гарантировать, что каждая реакция сублимационной сушки протекает поэтапно и при этом может протекать автономно. Каждый шаг и каждый компонент нужно было тщательно оптимизировать, чтобы вся система работала надежно. Также была проведена большая оптимизация материалов, чтобы обеспечить правильный поток воды и совместимость с различными реагентами.

Не могли бы вы описать, как вы проводили свои последние исследования по разработке этого носимого биосенсора? Как работает этот биосенсор?

Датчик COVID-19 здесь также содержит лиофилизированные биологические датчики (на основе ферментов CRISPR). К датчику прикреплена прокладка для сбора проб, которая собирает аэрозоли, выдыхаемые пользователем. Когда пользователь носит маску в течение соответствующего времени (минимум 15-30 минут), он нажимает кнопку, которая протыкает наполненный водой блистерный пакет, который немедленно пропускает воду через подушечку для сбора образцов, проталкивая любые вирусы. частицы в датчик для анализа. Датчик содержит три реакции сублимационной сушки, каждая из которых разделена задержкой растворения по времени.

Во-первых, оптимизированная смесь моющих средств разрушает любые вирусные мембраны. Вторая реакция представляет собой изотермическую реакцию спаренной обратной транскриптазы и рекомбиназной полимеразы (RT-RPA), которая преобразует вирусную РНК в ДНК и амплифицирует ее область (ген, кодирующий спайковый белок). Третья и последняя реакция – это датчик CRISPR (Cas12a), который обнаруживает амплифицированную ДНК. Есть молекула зонда, которая расщепляется (разрезается) Cas12a, если она активирована.

В самом конце, после того, как датчик сработал, реакция перетекает в полосу бокового потока (аналогично тесту на беременность), где результат представлен просто в виде видимого рисунка полос, который меняется в зависимости от того, раскололся или нет.

<img alt=" Маска для лица COVID-19 "height =" 800 "src =" https://d2jx2rerrg6sh3.cloudfront.net/image-handler/picture/2021/7/Edited-1200×800.jpg "title =" COVID -19 Маска для лица "width =" 1200 "/>

Маска для лица, которая может обнаруживать COVID-19. Изображение предоставлено: Институт биологической инженерии Висса при Гарвардском университете

Ваша лицевая маска может определять присутствие SARS-CoV-2 с той же точностью, что и стандартные тесты ПЦР. Какие еще преимущества у этой маски перед другими методами, используемыми для диагностики COVID-19, такими как тесты ПЦР?

• Это очень удобно – если вы уже в маске, почему бы не пройти тест, пока вы в ней?
• Это неинвазивный метод, обнаруживающий вирус по дыханию пользователя. Чем дольше задержка дыхания, тем больше образцов доступно для анализа.
• Он недорогой – в настоящее время наш прототип диагностического датчика COVID-19 стоит в общей сложности примерно 5 долларов США, не считая стоимости самой маски. По этой цене, мы думаем, что она будет конкурентоспособной в качестве одноразовой универсальной маски и теста. Мы ожидаем, что с продуктом массового производства эта цена должна снизиться.
• Это оптимальное место по чувствительности и скорости – в отличие от теста на антиген, это тест амплификации нуклеиновой кислоты (NAAT), который непосредственно определяет геном вируса. В отличие от обычного ПЦР-теста, этот тест с лицевой маской может дать результаты в течение 90 минут без необходимости отправлять что-либо в лабораторию.
• Отсутствие приборов и минимальное вмешательство пользователя – датчик полностью интегрирован в материал, и все, что пользователю нужно сделать, чтобы активировать его, – это нажать кнопку. Никаких инструментов или энергии не требуется.
• Он работает при комнатной температуре – Звучит банально, но на самом деле этого довольно сложно достичь. Все реакции могут протекать при комнатной температуре, что позволило нам отказаться от лабораторных инструментов (например, нагревания, необходимого для ПЦР).

Для каких еще областей применения эта маска может потенциально применяться?

Одним из немедленных приложений может быть обнаружение и мониторинг распространения вариантов COVID-19. Если бы маски были отправлены населению по почте, а результаты сообщались в приложении, мы могли бы получить чрезвычайно подробную карту распространения варианта, позволяющую быстро принимать политические решения.

Если бы был особенно плохой сезон гриппа, эти маски потенциально можно было бы использовать, чтобы отличить грипп от простуды, что позволило бы быстро вводить противовирусные препараты.

Есть исследования, показывающие, что другие заболевания и даже рак можно обнаружить через выдыхаемые летучие органические соединения (ЛОС). Если бы мы могли разработать биосенсоры для обнаружения этих ЛОС, это могло бы значительно расширить диапазон обнаруживаемых веществ, помимо респираторных патогенов.

Считаете ли вы, что этот носимый биосенсор поможет нам в дальнейшем обнаруживать случаи коронавируса на раннем этапе, что позволит нам остановить распространение вируса?

Одним из недостатков нашей глобальной готовности, выявленных во время этой пандемии, было отсутствие быстрых и чувствительных тестов, которые сильно отставали от роста числа инфекций. Наша технология масок может позволить нам значительно увеличить частоту тестирования до необходимого уровня, что дает возможность потенциально ежедневного тестирования, имея диагностику, которая проста в использовании для населения в целом без необходимости в лаборатории (поскольку тест полностью самодостаточен. содержится и требует только нажатия кнопки).

Мы считаем, что, сократив барьер для диагностического тестирования, чтобы его мог проводить где угодно и при этом обеспечивать надежные результаты, мы могли бы резко увеличить плотность и частоту тестирования. Это был бы ключевой элемент головоломки, который необходим, чтобы остановить нынешнюю пандемию и сдержать любые вспышки болезней в будущем, прежде чем она перерастет в пандемию.

<img alt=" Маска для лица "height =" 600 "src =" https://d2jx2rerrg6sh3.cloudfront.net/image-handler/picture/2021/7/MIT-Sensor-Mask-01_0.jpg "title =" Маска для лица "width =" 900 "/>

Маска для лица. Кредит изображения: MIT

Каковы следующие шаги вашего исследования?

Учитывая низкую стоимость, удобство, стабильность при хранении и высокую производительность диагностики лицевых масок, мы думаем, что производители будут рады сотрудничать с нами в разработке коммерческой версии нашего прототипа.

Мы активно ищем коммерческих партнеров для разработки массового производства лицевых масок. Этот процесс можно было бы значительно ускорить при наличии правильных партнеров и государственной поддержки. Мы также изучаем разработку версий датчика маски для лица, которые могут различать варианты COVID-19.

Где читатели могут найти дополнительную информацию?

О докторе Питере Нгуен

Питер Нгуен получил степень бакалавра наук. в биохимии и Б.А. степень бакалавра философии Техасского университета, степень бакалавра гуманитарных наук. из Кека Graduate Institute, и его докторская степень. доктор биохимии из Университета Райса. Питер Нгуен "height =" 270 "src =" https://d2jx2rerrg6sh3.cloudfront.net/image-handler/picture/2021/7/PNLRSM1_Bio.jpg "style =" float: right; "title =" Доктор. Питер Нгуен "width =" 180 "/>

В Институте Висса Питер в настоящее время работает над программируемыми пробиотиками и технологией бесклеточного производства сублимационной сушки на нескольких платформах. Его исследовательские интересы также включают инженерные системы для точной самосборки и управления наноразмерными структурами; белковая инженерия для синтетической биологии и биомедицинских приложений.

О докторе Луисе Р. Соенксене

Луис Р. Соенксен – серийный предприниматель и эксперт по медицинскому оборудованию, который в настоящее время является первым строителем предприятий Массачусетского технологического института в области искусственного интеллекта и здравоохранения, где он руководит разработкой и запуском множества передовых предприятий ИИ с преподавателями и студентами Массачусетского технологического института.

Луис имеет докторскую степень. Имеет степень бакалавра в области машиностроения в Массачусетском технологическом институте, а также степень бакалавра биомедицинской инженерии в Технологическом институте Монтеррея и степень магистра наук в области биоинженерии в Университете Джона Хопкинса. Его обучение включает проектирование, разработку и производство медицинских устройств, а также клинические испытания и внедрение медицинских учреждений. <img alt=" Dr. Луис Р. Соенксен "height =" 270 "src =" https://d2jx2rerrg6sh3.cloudfront.net/image-handler/picture/2021/7/PNLRSM2_Bio.jpg "style =" float: right; "title =" Dr. Луис Р. Соенксен "width =" 180 "/>

В исследованиях Луис внес значительный вклад в области биоинженерии, образования в области биодизайна, тканевой инженерии, синтетической биологии и искусственного интеллекта. Работа Луиса была опубликована в нескольких влиятельных журналах, таких как Science и Nature, исследования, которые также привели к нескольким запатентованным биомедицинским технологиям и соучредителю 4 начинающих компаний на международном уровне.