Cảm biến DNA mới nhanh chóng xác định xem virus có lây nhiễm hay không

Một bộ cảm biến mới không chỉ có thể phát hiện xem có vi rút hay không mà còn có thể lây nhiễm hay không – một điểm khác biệt quan trọng đối với việc chứa vi rút lây lan.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois Urbana-Champaign và các cộng tác viên đã phát triển cảm biến, tích hợp các đoạn DNA được thiết kế đặc biệt và cảm biến nanopore, để nhắm mục tiêu và phát hiện vi rút lây nhiễm trong vài phút mà không cần xử lý trước mẫu. Họ đã chứng minh sức mạnh của cảm biến với hai loại virus chính gây nhiễm trùng trên toàn thế giới: virus adenovirus ở người và virus gây ra COVID-19 .

Yi Lu, một giáo sư danh dự về hóa học, và Benito Marinas, một giáo sư về kỹ thuật dân dụng và môi trường, đồng dẫn đầu công trình với giáo sư Lijun Rong của Đại học Illinois Chicago; giáo sư Omar Azzaroni, Đại học Quốc gia La Plata ở Argentina; và María Eugenia Toimil-Molares, thuộc Trung tâm Nghiên cứu Ion nặng GSI Helmholtz ở Đức. Họ đã báo cáo những phát hiện của mình trên tạp chí Science Advances .

Ana Peinetti, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, cho biết: “Tình trạng lây nhiễm là thông tin rất quan trọng có thể cho chúng tôi biết liệu bệnh nhân có bị lây nhiễm hay phương pháp khử trùng môi trường có hiệu quả hay không”. Hiện cô dẫn đầu một nhóm nghiên cứu tại Đại học Buenos Aires ở Argentina. “Cảm biến của chúng tôi kết hợp hai thành phần chính: các phân tử DNA có độ đặc hiệu cao và công nghệ nanopore có độ nhạy cao. Chúng tôi đã phát triển các phân tử DNA đặc hiệu cao này, được đặt tên là aptamers, không chỉ nhận dạng được vi rút mà còn có thể phân biệt tình trạng lây nhiễm của vi rút ”.

“Tiêu chuẩn vàng” về phát hiện vi rút, xét nghiệm PCR phát hiện vật chất di truyền của vi rút nhưng không thể phân biệt được mẫu có lây nhiễm hay không hoặc xác định được một người có lây hay không. Các nhà nghiên cứu cho biết, điều này có thể khiến việc theo dõi và ngăn chặn sự bùng phát virus trở nên khó khăn hơn.

“Với vi rút gây ra COVID-19, người ta đã chỉ ra rằng mức độ RNA của vi rút có mối tương quan tối thiểu với khả năng lây nhiễm của vi rút. Trong giai đoạn đầu khi một người bị nhiễm, RNA của vi rút thấp và khó phát hiện, nhưng người đó rất dễ lây lan ”, Lu nói. “Khi một người bình phục và không bị lây nhiễm, mức RNA của virus có thể rất cao. Các xét nghiệm kháng nguyên cũng theo một mô hình tương tự, mặc dù muộn hơn so với RNA của virus. Do đó, xét nghiệm RNA của virus và kháng nguyên đều kém trong việc thông báo liệu virus có lây nhiễm hay không. Nó có thể dẫn đến việc điều trị hoặc cách ly bị trì hoãn, hoặc thả sớm những người vẫn có thể bị lây nhiễm. “

Các xét nghiệm phát hiện vi-rút lây nhiễm, được gọi là xét nghiệm mảng bám, tồn tại nhưng cần có sự chuẩn bị đặc biệt và thời gian ủ bệnh để đưa ra kết quả. Các nhà nghiên cứu báo cáo rằng phương pháp cảm biến mới có thể mang lại kết quả sau 30 phút đến hai giờ, và vì nó không cần xử lý trước mẫu, nên nó có thể được sử dụng trên các loại virus không phát triển trong phòng thí nghiệm.

Có thể phân biệt vi rút lây nhiễm với vi rút không truyền nhiễm và phát hiện một lượng nhỏ từ các mẫu chưa được xử lý có thể chứa các chất gây ô nhiễm khác là điều quan trọng không chỉ để chẩn đoán nhanh bệnh nhân đang ở giai đoạn đầu của nhiễm trùng hoặc những người vẫn còn lây nhiễm sau khi điều trị, mà còn để giám sát môi trường Marinas nói.

Marinas cho biết: “Chúng tôi chọn adenovirus ở người để chứng minh cảm biến của chúng tôi vì nó là một mầm bệnh virus lây qua đường nước đang nổi lên đáng quan tâm ở Hoa Kỳ và trên toàn thế giới,” Marinas nói. “Khả năng phát hiện adenovirus lây nhiễm khi có sự hiện diện của virus không bị lây nhiễm bởi chất khử trùng nước và các chất nền có khả năng gây nhiễu khác trong nước thải và vùng nước tự nhiên bị ô nhiễm, cung cấp một cách tiếp cận mới lạ chưa từng có. Chúng tôi nhận thấy tiềm năng của công nghệ như vậy để bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng một cách mạnh mẽ hơn. ”

Các nhà nghiên cứu cho biết, kỹ thuật cảm biến có thể được áp dụng cho các loại virus khác bằng cách điều chỉnh DNA để nhắm vào các mầm bệnh khác nhau. Các aptamer DNA được sử dụng trong cảm biến có thể được sản xuất dễ dàng bằng các bộ tổng hợp DNA có sẵn rộng rãi, tương tự như các đầu dò RNA được sản xuất cho các xét nghiệm PCR. Lu, hiện là giáo sư tại Đại học Texas, Austin, cho biết cảm biến nanopore cũng có sẵn trên thị trường, giúp cho kỹ thuật cảm biến có thể mở rộng một cách dễ dàng.

Các nhà nghiên cứu đang làm việc để cải thiện hơn nữa độ nhạy và tính chọn lọc của cảm biến, đồng thời tích hợp aptamers DNA của chúng với các phương pháp phát hiện khác, chẳng hạn như que thăm thay đổi màu sắc hoặc cảm biến để hoạt động với điện thoại thông minh, để loại bỏ nhu cầu về thiết bị đặc biệt. Với khả năng phân biệt không lây nhiễm với vi rút lây nhiễm, các nhà nghiên cứu cho biết họ hy vọng công nghệ của họ cũng có thể hỗ trợ tìm hiểu các cơ chế lây nhiễm.

Marinas cho biết: “Ngoài ra, công nghệ aptamer có thể được phát triển thành các nền tảng đa kênh để phát hiện các mầm bệnh virus lây lan qua đường nước mới nổi gây lo ngại về sức khỏe môi trường và cộng đồng, chẳng hạn như norovirus và enterovirus, hoặc các biến thể của virus gây ra COVID-19,” Marinas nói.

Tham khảo: “Phát hiện trực tiếp adenovirus ở người hoặc SARS-CoV-2 với khả năng thông báo sự lây nhiễm bằng cách sử dụng cảm biến DNA aptamer-nanopore” của Ana S. Peinetti, Ryan J. Lake, Wen Cong, Laura Cooper, Yuting Wu, Yuan Ma, Gregory T. Pawel, María Eugenia Toimil-Molares, Christina Trautmann, Lijun Rong, Benito Mariñas, Omar Azzaroni và Yi Lu, 22 tháng 9 năm 2021, Science Advances .
DOI: 10.1126 / sciadv.abh2848

Công việc này được hỗ trợ bởi khoản tài trợ RAPID từ Quỹ Khoa học Quốc gia và khoản tài trợ hạt giống từ Viện Bền vững, Năng lượng và Môi trường tại Illinois và Viện Illinois-JITRI. Peinetti được hỗ trợ bởi PEW American Latin Fellowship.

Theo Scitechdaily