Gli scienziati sviluppano chip a basso costo per rilevare la presenza e la quantità di anticorpi COVID-19.
Test anticorpali robusti e diffusi sono emersi come una strategia chiave nella lotta contro la SARS-CoV-2, il virus responsabile della pandemia COVID-19.
Tuttavia gli attuali metodi di test, sono troppo imprecisi o troppo costosi per essere fattibili su scala globale. Ma ora gli scienziati dell’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hanno sviluppato un test anticorpale rapido, affidabile e a basso costo.
Il dispositivo, descritto in uno studio di proof-of-concept pubblicato di recente su Biosensors and Bioelectronics, utilizza la tecnologia portatile lab-on-a-chip per misurare accuratamente la concentrazione di anticorpi presenti nel plasma sanguigno diluito.
Gli anticorpi sono proteine prodotte dal sistema immunitario per neutralizzare il virus. La ricerca ha scoperto che gli anticorpi COVID-19 sono presenti nelle fasi successive dell’infezione e possono indugiare nel sangue dopo che l’infezione è stata eliminata, permettendo di identificare gli individui precedentemente infettati. I test anticorpali sono quindi un mezzo importante per determinare la piena diffusione delle informazioni sul coronavirus che è cruciale per guidare le politiche di salute pubblica.
Eppure, finora, molte nazioni non sono riuscite a utilizzare test anticorpali su larga scala.
Chip a basso costo: la teoria di Okinawa
“Molte piattaforme esistenti per i test anticorpali sono accurate e affidabili, ma sono costose e devono essere eseguite in laboratorio da operatori addestrati. Questo significa che possono essere necessarie ore, o addirittura giorni, per ottenere risultati”. Sostiene il dottor Riccardo Funari, primo autore e ricercatore post-dottorato nell’Unità di Micro/Bio/Nano-fluidica dell’OIST. “Altri test sono più facili da usare, portatili e rapidi, ma non sono sufficientemente accurati, il che ostacola gli sforzi di test”.
I ricercatori hanno evitato questo compromesso tra accuratezza e accessibilità sviluppando una piattaforma alternativa di test anticorpali che combina una potente tecnologia di rilevamento della luce con un chip microfluidico.
Il chip fornisce risultati entro 30 minuti ed è altamente sensibile, rilevando anche la più bassa concentrazione di anticorpi clinicamente rilevanti. Ogni chip è economico da produrre e annulla la necessità di un laboratorio o di operatori addestrati, aumentando la fattibilità di test a livello nazionale.
E c’è un altro vantaggio distintivo di questa piattaforma di recente sviluppo. “Il test non solo rileva se gli anticorpi sono presenti o assenti, ma fornisce anche informazioni sulla quantità di anticorpi prodotti dal sistema immunitario. In altre parole, è quantitativo”, ha detto la professoressa Amy Shen, che guida l’Unità di Micro/Bio/Nano-fluidica. “Questo amplia notevolmente le sue potenziali applicazioni, dal trattamento del COVID-19 allo sviluppo di vaccini“.
La piattaforma di test anticorpale è costituita da un chip microfluidico integrato con una sonda luminosa a fibra ottica. Il chip stesso è costituito da un vetrino di vetro rivestito d’oro con un canale microfluidico incorporato. Utilizzando un voltaggio elettrico, il team ha fabbricato decine di migliaia di minuscole strutture d’oro appuntite, ognuna più piccola della lunghezza d’onda della luce, su un vetrino di vetro.
Il principio di rilevamento che coinvolge le nano-spike
I ricercatori hanno poi modificato queste nano-spike d’oro attaccando un frammento della proteina SARS-CoV-2 spike. Questa proteina è fondamentale per aiutare il coronavirus a infettare le cellule e causa una forte reazione da parte del sistema immunitario di una persona infetta.
In questo studio di prova, gli scienziati hanno dimostrato il principio alla base di come il test rileva gli anticorpi utilizzando un campione di plasma umano artificiale con anticorpi COVID-19 specifici per la proteina spike.
Il principio di rilevamento, si basa sulla risonanza localizzata del plasmone di superficie (LSPR – oppure – risonanza plasmonica di superficie – SPR, Surface Plasmon Resonance) che coinvolge nano-spike d’oro (fabbricate per elettrodeposizione) in un dispositivo microfluidico, accoppiato ad una sonda ottica.
Utilizzando una pompa a siringa, il campione è aspirato attraverso il chip. Mentre il plasma, quindi, passa attraverso le nano-spike dorate, rivestite di proteine; gli anticorpi si legano ai frammenti della proteina spike. Questo evento di legame è poi rilevato, appunto, dalla sonda luminosa a fibra ottica.
“Il principio di rilevamento è semplice ma potente”. Afferma il dottor Funari. Ha spiegato che si basa sul comportamento unico degli elettroni sulla superficie delle nano-spike d’oro, che oscillano insieme quando sono colpite dalla luce. Questi elettroni risonanti sono altamente sensibili ai cambiamenti dell’ambiente circostante, come il legame degli anticorpi, che provoca uno spostamento della lunghezza d’onda della luce assorbita dalle nano-spike.
“Più anticorpi si legano, più grande è lo spostamento della lunghezza d’onda della luce assorbita”; ha aggiunto il Dott. Funari. “La sonda a fibra ottica è collegata ad un rivelatore di luce che misura questo spostamento. Utilizzando queste informazioni, possiamo determinare la concentrazione di anticorpi all’interno del campione di plasma”.
Chip a basso costo – Un futuro luminoso
Chip a basso costo – Il lancio su larga scala di un test quantitativo potrebbe avere un grande impatto sul trattamento della COVID-19.
Ad esempio, i test quantitativi potrebbero aiutare i medici a monitorare l’effcacia del sistema immunitario di un paziente nel combattere il virus. Potrebbe anche essere usato per aiutare a identificare i donatori adatti per un promettente trattamento sperimentale, chiamato terapia trasfusionale al plasma, in cui il sangue ricco di anticorpi di un paziente, viene donato ai pazienti attualmente infetti per aiutarli a combattere il virus.
Essere in grado di misurare il livello di risposta immunitaria può anche aiutare lo sviluppo del vaccino, permettendo ai ricercatori di determinare quanto efficacemente un vaccino di prova innesca il sistema immunitario.
Tuttavia, i ricercatori hanno sottolineato che il dispositivo è ancora in fase di sviluppo attivo. L’unità mira a ridurre le dimensioni del chip per abbassare i costi di produzione e sta anche lavorando per migliorare l’affidabilità del test.
“Abbiamo dimostrato che il dispositivo funziona per rilevare diverse concentrazioni dell’anticorpo della proteina spike in campioni di plasma umano artificiale. Ora vogliamo espandere il test in modo che il chip possa rilevare più anticorpi diversi allo stesso tempo”. Rileva il dottor Funari. “Una volta che il dispositivo sarà ottimizzato, abbiamo intenzione di collaborare con gli ospedali locali e le istituzioni mediche per eseguire test su campioni di pazienti reali”.
