Dal COVID al cancro, un nuovo test a casa individua le malattie con una precisione sorprendente
Una nuova tecnologia utilizza l'effetto "coffee-ring", abbinato alla plasmonica e all'intelligenza artificiale, per una diagnostica rapida
Mal di gola e raffreddore? La recente diffusione dei test rapidi a domicilio ha reso più facile scoprire se si è affetti da una malattia grave come la Covid-19 o solo da un pizzico di allergia primaverile. Tuttavia, pur essendo rapidi e convenienti, questi test a casa sono meno sensibili di quelli disponibili presso lo studio medico, il che significa che potreste risultare negativi anche se siete infetti. Una soluzione potrebbe arrivare sotto forma di una nuova tecnologia di biosensing a basso costo che potrebbe rendere i test rapidi a domicilio fino a 100 volte più sensibili a virus come il COVID-19. La diagnostica potrebbe estendere lo screening rapido anche ad altre patologie potenzialmente letali come il cancro alla prostata e la sepsi. Creato dai ricercatori dell'Università della California, Berkeley, il test combina un processo di evaporazione naturale chiamato "effetto anello di caffè" con la plasmonica e l'intelligenza artificiale per rilevare i biomarcatori di malattia con notevole precisione in pochi minuti.
Quando una goccia di liquido evapora, le particelle sospese nel liquido migrano naturalmente verso il bordo della goccia, lasciando dietro di sé un "anello di caffè" quando il liquido si asciuga completamente. Gli ingegneri della UC Berkeley hanno sfruttato questo fenomeno naturale per aumentare la sensibilità dei test diagnostici preconcentrando i biomarcatori delle malattie in un anello. Questa illustrazione mostra un anello di biomarcatori di malattie, in viola, che interagisce con una goccia di liquido contenente nanoparticelle plasmoniche. Queste nanoparticelle plasmoniche si legano ai biomarcatori della malattia e generano schemi di luce che possono essere individuati utilizzando un'applicazione per smartphone dotata di intelligenza artificiale.
Megan Teng/UC Berkeley
"Questa tecnica semplice ma efficace può offrire risultati altamente precisi in una frazione di tempo rispetto ai metodi diagnostici tradizionali", ha dichiarato Kamyar Behrouzi, che ha recentemente completato il dottorato di ricerca in sistemi microelettromeccanici e nanoingegneria alla UC Berkeley. "Il nostro lavoro apre la strada a una diagnostica più accessibile ed economica, soprattutto in contesti a basse risorse". La tecnologia è stata sviluppata con il sostegno dei fondi di avviamento dell'Istituto CITRIS e Banatao della UC Berkeley ed è descritta in un recente studio pubblicato sulla rivista Nature Communications.
Combinare anelli di caffè e nanoparticelle
Osservando attentamente una qualsiasi macchia di caffè o di vino, si può notare che il contorno della macchia è molto più scuro dell'interno. Ciò è dovuto a un fenomeno fisico chiamato effetto "anello di caffè": Quando una goccia di liquido evapora, genera un flusso che spinge le particelle in sospensione verso il bordo della goccia. Se le particelle sono pigmentate, come nel caffè e nel vino, la macchia risultante sarà più scura intorno al bordo che al centro.
Nel 2020, Behrouzi stava sviluppando un biosensore per rilevare il COVID-19 quando ha notato che le gocce della sua soluzione sperimentale lasciavano macchie a forma di anello quando si asciugavano. Si è reso conto che questo effetto ad anello poteva essere usato per concentrare facilmente le particelle del virus COVID-19, rendendole potenzialmente più facili da rilevare. Abbiamo capito che potevamo usare l'effetto "anello di caffè" per costruire qualcosa di ancora migliore di quello che ci eravamo prefissati inizialmente", ha detto Behrouzi.
La tecnologia del test rapido utilizza minuscole particelle chiamate nanoparticelle plasmoniche che interagiscono con la luce in modi unici. Per eseguire il test, l'utente aggiunge prima una goccia di liquido contenente proteine rilevanti per la malattia, ad esempio da un tampone nasale o da una guancia, a una membrana. Quando la goccia si asciuga, concentra i biomarcatori della malattia sull'anello di caffè. L'utente aggiunge quindi una seconda goccia contenente nanoparticelle plasmoniche che sono state progettate per aderire ai biomarcatori della malattia. Se i biomarcatori sono presenti, le nanoparticelle si aggregano in determinati schemi che modificano il modo in cui la luce interagisce con la membrana. Questo cambiamento può essere rilevato a occhio o tramite un'applicazione per smartphone dotata di intelligenza artificiale. La tecnologia fornisce risultati in meno di 12 minuti ed è 100 volte più sensibile nel rilevare la COVID-19 rispetto a test equivalenti.
"Una delle proteine chiave che siamo in grado di rilevare con questo metodo è un biomarcatore della sepsi, una risposta infiammatoria pericolosa per la vita a un'infezione batterica che può svilupparsi rapidamente nelle persone di età superiore ai 50 anni", ha dichiarato l'autore senior dello studio Liwei Lin, professore emerito di ingegneria meccanica alla UC Berkeley. "Ogni ora è fondamentale, ma la coltura dei batteri per determinare la fonte dell'infezione può richiedere alcuni giorni. La nostra tecnica potrebbe aiutare i medici a rilevare la sepsi in 10-15 minuti".
I ricercatori hanno creato un prototipo di kit di analisi domestica, simile ai kit di analisi COVID a casa, che include componenti stampati in 3D per aiutare a guidare il posizionamento del campione e delle gocce plasmoniche.
"Durante la pandemia COVID-19, ci siamo affidati ai test domestici per sapere se eravamo infetti o meno", ha detto Lin. "Spero che la nostra tecnologia renda più facile e accessibile per le persone sottoporsi regolarmente a screening per patologie come il cancro alla prostata senza uscire di casa".
Tra gli altri coautori dello studio figurano Zahra Khodabakhshi Fard, Chun-Ming Chen, Peisheng He e Megan Teng della UC Berkeley.
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