À medida que a pandemia COVID-19 continua a se espalhar pelo mundo, o teste continua sendo uma estratégia chave para rastrear e conter o vírus. Estudante de graduação em bioengenharia, Maha Alafeef, co-desenvolveu um rápido, teste ultrassensível usando um sensor eletroquímico baseado em papel que pode detectar a presença do vírus em menos de cinco minutos. A equipe liderada pelo professor Dipanjan Pan relatou suas descobertas em ACS Nano .

"Atualmente, estamos vivenciando um evento de mudança de vida que ocorre uma vez em um século, "disse Alafeef." Estamos respondendo a essa necessidade global de uma abordagem holística, desenvolvendo ferramentas multidisciplinares para detecção precoce, diagnóstico e tratamento para SARS-CoV-2. "

Existem duas grandes categorias de testes COVID-19 no mercado. A primeira categoria usa a reação em cadeia da polimerase em tempo real da transcriptase reversa (RT-PCR) e estratégias de hibridização de ácido nucleico para identificar o RNA viral. Os testes diagnósticos atuais aprovados pela FDA usam esta técnica. Algumas desvantagens incluem a quantidade de tempo que leva para completar o teste, a necessidade de pessoal especializado e a disponibilidade de equipamentos e reagentes.

A segunda categoria de testes concentra-se na detecção de anticorpos. Contudo, pode haver um atraso de alguns dias a algumas semanas após uma pessoa ter sido exposta ao vírus para que ela produza anticorpos detectáveis.

Nos últimos anos, os pesquisadores tiveram algum sucesso com a criação de biossensores de ponto de atendimento usando nanomateriais 2-D, como o grafeno, para detectar doenças. As principais vantagens dos biossensores à base de grafeno são a sensibilidade, baixo custo de produção e resposta rápida de detecção. "A descoberta do grafeno abriu uma nova era no desenvolvimento de sensores devido às suas propriedades. O grafeno exibe propriedades mecânicas e eletroquímicas únicas que o tornam ideal para o desenvolvimento de sensores eletroquímicos sensíveis, "disse Alafeef. A equipe criou um biossensor eletroquímico baseado em grafeno com uma configuração de leitura elétrica para detectar seletivamente a presença de material genético SARS-CoV-2.

Existem dois componentes para este biossensor:uma plataforma para medir uma leitura elétrica e sondas para detectar a presença de RNA viral. Para criar a plataforma, os pesquisadores primeiro revestiram o papel de filtro com uma camada de nanoplacas de grafeno para criar um filme condutor. Então, eles colocaram um eletrodo de ouro com um design predefinido em cima do grafeno como uma almofada de contato para leitura elétrica. Tanto o ouro quanto o grafeno têm alta sensibilidade e condutividade, o que torna esta plataforma ultrassensível para detectar mudanças nos sinais elétricos.

Os atuais testes COVID-19 baseados em RNA rastreiam a presença do gene N (fosfoproteína do nucleocapsídeo) no vírus SARS-CoV-2. Nesta pesquisa, a equipe projetou sondas de oligonucleotídeo antisense (ASOs) para atingir duas regiões do gene N. Visar duas regiões garante a confiabilidade do senor no caso de uma região sofrer mutação genética. Além disso, nanopartículas de ouro (AuNP) são tampadas com esses ácidos nucleicos de fita simples (ssDNA), que representa uma sonda de detecção ultrassensível para o RNA SARS-CoV-2.

Os pesquisadores mostraram anteriormente a sensibilidade das sondas de detecção desenvolvidas em seu trabalho anterior publicado em ACS Nano . A hibridização do RNA viral com essas sondas causa uma alteração na resposta elétrica do sensor. Os capacitores AuNP aceleram a transferência de elétrons e quando transmitidos pela plataforma de detecção, resulta em um aumento no sinal de saída e indica a presença do vírus.

A equipe testou o desempenho deste sensor usando amostras COVID-19 positivas e negativas. O sensor mostrou um aumento significativo na voltagem das amostras positivas em relação às negativas e confirmou a presença de material genético viral em menos de cinco minutos. Além disso, o sensor foi capaz de diferenciar as cargas de RNA viral nessas amostras. A carga viral é um indicador quantitativo importante do progresso da infecção e um desafio para medir usando os métodos de diagnóstico existentes.

Esta plataforma possui aplicações de longo alcance devido à sua portabilidade e baixo custo. O sensor, quando integrado com microcontroladores e telas de LED ou com um smartphone via Bluetooth ou wi-fi, pode ser usado no ponto de atendimento de um consultório médico ou até mesmo em casa. Além do COVID-19, a equipe de pesquisa também prevê que o sistema seja adaptável para a detecção de muitas doenças diferentes.

"O potencial ilimitado da bioengenharia sempre despertou meu maior interesse com suas aplicações translacionais inovadoras, "Alafeef disse." Estou feliz em ver que meu projeto de pesquisa tem um impacto na solução de um problema do mundo real. Finalmente, Gostaria de agradecer ao meu Ph.D. professor conselheiro Dipanjan Pan por seu apoio infinito, cientista pesquisador Dr. Parikshit Moitra, e ao assistente de pesquisa Ketan Dighe por sua ajuda e contribuição para o sucesso deste estudo. "