Cảm biến mới phát hiện COVID-19 hoặc các mầm bệnh khác

Các kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã sử dụng các ống nano cacbon chuyên dụng để thiết kế loại cảm biến mới, có thể phát hiện SARS-CoV-2 trong vài phút mà không cần bất kỳ kháng thể nào. Cảm biến mới cung cấp kết quả chẩn đoán nhanh và chính xác, không chỉ giúp ích cho đại dịch Covid-19 mà cả các đại dịch trong tương lai.

Việc chẩn đoán dựa vào công nghệ cảm biến ống nano cacbon do phòng thí nghiệm của GS. Michael Strano tại MIT phát triển trước đó. Khi các kỹ sư bắt đầu nghiên cứu cảm biến Covid-19, họ chỉ mất 10 ngày để xác định ống nano cacbon đã được sửa đổi có khả năng phát hiện chọn lọc các protein của virus mà họ đang tìm kiếm, sau đó kiểm tra và kết hợp nó vào một nguyên mẫu đang hoạt động. Phương pháp này cũng loại bỏ nhu cầu về các kháng thể hoặc các thuốc thử khác cần nhiều thời gian để tạo ra, điều chỉnh và phổ biến rộng rãi.

Nhận dạng phân tử

Vài năm trước, phòng thí nghiệm của GS. Strano đã đưa ra một phương pháp mới để thiết kế cảm biến cho nhiều loại phân tử. Kỹ thuật này dựa vào các ống nano cacbon - hình trụ rỗng, dày cỡ nanomet được làm từ cacbon phát huỳnh quang tự nhiên khi tiếp xúc với ánh sáng laser. Khi phủ nhiều loại polime khác nhau lên các ống nano, các nhà nghiên cứu đã chế tạo được các cảm biến phản ứng với các phân tử mục tiêu cụ thể bằng cách nhận diện chúng về mặt hóa học.

Phương pháp này được gọi là Nhận dạng phân tử pha Corona (CoPhMoRe), khai thác hiện tượng xảy ra khi một số loại polime liên kết với một hạt nano. Được gọi là polime lưỡng phần (vừa ưa nước và vừa kỵ nước), các phân tử này có các vùng kỵ nước bám vào các ống giống như mỏ neo và các vùng ưa nước tạo thành rất nhiều vòng kéo dài ra khỏi các ống.

Các vòng lặp đó tạo thành một lớp gọi là hào quang bao quanh ống nano. Tùy thuộc vào sự sắp xếp của các vòng lặp, các loại phân tử mục tiêu khác nhau có thể chen vào khoảng không giữa các vòng và liên kết này của mục tiêu làm thay đổi cường độ hoặc bước sóng cực đại của huỳnh quang do ống nano cacbon tạo ra.

Đầu năm nay, GS. Strano cùng các cộng sự đã nhận được tài trợ của Viện Y tế Quốc gia để chế tạo cảm biến CoPhMoRe cho các protein SARS-CoV-2. Các nhà nghiên cứu trong đã phát triển các chiến lược cho phép dự đoán polime lưỡng phần nào sẽ tương tác tốt nhất với một phân tử mục tiêu cụ thể để nhanh chóng tạo ra một nhóm gồm 11 ứng cử viên cho SARS-CoV-2.

Trong khoảng 10 ngày kể từ khi bắt đầu dự án, các nhà nghiên cứu đã xác định được các cảm biến chính xác cho cả nucleocapsid và protein đột biến của virus SARS-CoV-2. Trong thời gian đó, họ cũng kết hợp các cảm biến vào một mẫu thiết bị với đầu sợi quang có thể phát hiện những thay đổi huỳnh quang của mẫu chất dịch sinh học trong thời gian thực. Vì thế không cần gửi mẫu đến phòng thí nghiệm, vốn cần cho xét nghiệm chẩn đoán Covid-19 bằng PCR.

Thiết bị này cho kết quả trong vòng khoảng năm phút và có thể phát hiện nồng độ virus thấp nhất là 2,4 picogam protein virus trên mỗi mililit mẫu. Trong các thí nghiệm gần đây được thực hiện sau khi bài báo này được đệ trình, các nhà nghiên cứu đã đạt được giới hạn phát hiện thấp hơn so với các xét nghiệm nhanh hiện có trên thị trường.

Ngoài ra, thiết bị mới có thể phát hiện protein nucleocapsid SARS-CoV-2 (nhưng không phải là protein cầu gai) khi nó được hòa tan trong nước bọt. Việc phát hiện các protein virus trong nước bọt thường gặp khó khăn, vì nước bọt có chứa các phân tử cacbohydrate và enzym tiêu hóa dính cản trở khả năng phát hiện protein. Đó là lý do hầu hết các chẩn đoán Covid-19 đều cần que ngoáy dịch mũi.

Cho kết quả nhanh

Tốc độ cho kết quả nhanh của mẫu cảm biến mới rất cần thiết để triển khai các chuẩn đoán nhanh trong bối cảnh các đại dịch sẽ xảy đến trong tương lai. Cảm biến phụ thuộc vào kháng thể để phát hiện các protein virus, tạo nền tảng cho nhiều xét nghiệm nhanh Covid-19 hiện nay lâu cho kết quả vì quá trình thiết kế kháng thể protein phù hợp mất thời gian.

Các nhà nghiên cứu đã xin cấp sáng chế cho công nghệ với hy vọng thương mại hóa để sử dụng cho chẩn đoán Covid-19. GS. Strano cũng hy vọng sẽ cải tiến công nghệ để có thể triển khai ứng phó với các đại dịch trong tương lai.

N.P.D (NASATI), theo https://scitechdaily.com/mits-new-carbon-nanotube-based-sensor-can-detect-covid-19-or-other-emerging-pathogens/, 26/10/2021