Um rápido, técnica de baixo custo para ver e contar vírus ou proteínas de uma amostra em tempo real, sem quaisquer produtos químicos ou corantes, poderia sustentar uma nova classe de dispositivos para diagnóstico rápido e monitoramento de carga viral, incluindo HIV e o vírus que causa COVID-19.

Pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign descreveram a técnica, chamado Fotonic Resonator Interferometric Scattering Microscopy, ou PRISM, no jornal Nature Communications .

“Desenvolvemos uma nova forma de microscopia que amplifica a interação entre a luz e os materiais biológicos. Podemos usá-la para formas muito rápidas e sensíveis de testes de diagnóstico, e também como uma ferramenta muito poderosa para a compreensão de processos biológicos na escala de itens individuais, como contar proteínas individuais ou registrar interações de proteínas individuais, "disse o líder do estudo Brian Cunningham, o Intel Alumni Endowed Chair de engenharia elétrica e da computação e membro do Holonyak Micro and Nanotechnology Lab e do Carl R. Woese Institute for Genomic Biology em Illinois.

Em microscópios ópticos, a luz é refletida em qualquer molécula ou vírus que encontrar em uma lâmina, criando um sinal. Em vez de uma lâmina de vidro normal, a técnica PRISM usa cristal fotônico:uma superfície de vidro nanoestruturada que reflete de forma brilhante apenas um comprimento de onda da luz. O grupo de Cunningham projetou e fabricou um cristal fotônico que reflete a luz vermelha, para que a luz de um laser vermelho fosse amplificada.

"As moléculas que estamos olhando - neste estudo, vírus e pequenas proteínas - são extremamente pequenos. Eles não podem espalhar luz suficiente para criar um sinal que pode ser detectado por um microscópio óptico convencional, "disse o estudante de graduação Nantao Li, o primeiro autor do artigo. "O benefício de usar o cristal fotônico é que ele amplifica a intensidade da luz, de modo que é mais fácil detectar esses sinais e nos permite estudar essas proteínas e vírus sem quaisquer rótulos químicos ou corantes que possam modificar seu estado natural ou impedir sua atividade - podemos basta usar o sinal de espalhamento intrínseco como medidor para determinar se essas moléculas estão presentes. "

Os pesquisadores verificaram sua técnica detectando o vírus que causa o COVID-19. O PRISM detectou coronavírus individuais conforme eles viajavam pela superfície da lâmina. Os pesquisadores também usaram o PRISM para detectar proteínas individuais, como ferritina e fibrinogênio. A técnica pode permitir que os pesquisadores estudem esses alvos biológicos em seus estados naturais - observando como as proteínas interagem, por exemplo - ou os pesquisadores podem semear a superfície da lâmina de cristal fotônico com anticorpos ou outras moléculas para capturar os itens direcionados e mantê-los no lugar.

"Demora 10 segundos para obter uma medição, e nesse tempo podemos contar o número de vírus capturados no sensor, "Cunningham disse." É um método de detecção de uma única etapa que funciona em temperatura ambiente. Também é rápido, muito sensível e de baixo custo. É muito diferente da maneira padrão como fazemos testes virais agora, que envolve quebrar os vírus, extrair seu material genético e submetê-lo a um processo de amplificação química para que possamos detectá-lo. Esse método, chamado PCR, é preciso e sensível, mas requer tempo, equipamentos especializados e técnicos treinados. "

O grupo de Cunningham está trabalhando para incorporar a tecnologia PRISM aos portáteis, dispositivos de diagnóstico rápido para COVID-19 e monitoramento de carga viral do HIV. O grupo está explorando dispositivos protótipos que incorporam filtros para amostras de sangue e até câmaras de condensação para testes de respiração.

“Também vamos usar isso como uma ferramenta de pesquisa para biologia e câncer, "Cunningham disse." Podemos usá-lo para entender as interações de proteínas que são partes de processos de doenças. Estamos interessados ​​em usá-lo para detectar essas minúsculas vesículas que as células cancerosas liberam, e para ver de quais tecidos eles vêm, para diagnóstico, e também para estudar que carga eles estão transportando das células cancerosas. "