Diagnostica Covid-19 basata sulla tecnologia MIT

Una varietà di progetti di ricerca del MIT potrebbe offrire un valido apporto agli sforzi per rilevare e prevenire la diffusione del coronavirus. La diagnostica Covid-19 basata sulla tecnologia MIT potrebbe essere presto testata su campioni di pazienti.

Man mano che appaiono più casi di Covid-19 negli Stati Uniti e in tutto il mondo, la necessità di test diagnostici rapidi e facili da usare sta diventando sempre più urgente. Una startup nata dal Massachusetts Institute of Technology (MIT) sta ora lavorando a un test cartaceo in grado di fornire risultati in meno di mezz'ora, basato sulla tecnologia sviluppata presso l'Institute for Medical Engineering and Science (IMES) del MIT.

Cambridge-based E25Bio, che ha sviluppato il test, si sta ora preparando a sottoporlo alla FDA per “l'autorizzazione all'uso di emergenza”, (1) che concederebbe l'approvazione temporanea per l'utilizzo del dispositivo su campioni di pazienti durante emergenze di salute pubblica.

Altrove, attorno al Massachusetts Institute of Technology (MIT), diversi altri gruppi di ricerca stanno lavorando a progetti che potrebbero aiutare ulteriormente gli scienziati a comprendere come vengono trasmessi i coronavirus e come prevenire l'infezione. Il loro lavoro tocca campi che vanno dalla diagnostica e dallo sviluppo di vaccini a misure più tradizionali di prevenzione delle malattie come il distanziamento sociale e il lavaggio delle mani.

Diagnosi più rapida

La tecnologia alla base della nuova diagnostica E25Bio è stata sviluppata dal dottor Lee Gehrke, (2) il professore Hermann L.F. von Helmholtz all'IMES e altri membri del suo laboratorio, tra cui Irene Bosch, ex scienziata ricercatrice dell'IMES che ora è CTO di E25Bio. Negli ultimi anni, Gehrke, Bosch e altri in laboratorio hanno lavorato su dispositivi diagnostici che funzionano in modo simile a un test di gravidanza ma che possono identificare le proteine virali dai campioni dei pazienti. I ricercatori hanno utilizzato questa tecnologia, nota come tecnologia a flusso laterale, per creare test per Ebola, febbre dengue e virus Zika, tra le altre malattie infettive.

I test consistono in strisce di carta, rivestite con anticorpi, che si legano a una specifica proteina virale. Un secondo anticorpo è attaccato alle nanoparticelle d'oro e il campione del paziente viene aggiunto a una soluzione di quelle particelle. La striscia reattiva viene quindi immersa in questa soluzione. Se è presente la proteina virale, si attacca agli anticorpi sulla superficie di carta e agli anticorpi legati alle nanoparticelle e una striscia colorata appare sulla striscia entro 20 minuti.

Attualmente, sono disponibili due tipi principali di diagnostica Covid-19. Uno di questi test analizza i campioni di sangue dei pazienti alla ricerca di anticorpi contro il virus. Tuttavia, gli anticorpi spesso non sono rilevabili fino a pochi giorni dopo l'inizio dei sintomi. Un altro tipo di test cerca il DNA virale in un campione di espettorato. Questi test possono rilevare il virus all'inizio dell'infezione, ma richiedono la reazione a catena della polimerasi (PCR), una tecnologia che amplifica la quantità di DNA a livelli rilevabili e richiede diverse ore per essere eseguita.

«La nostra speranza è che, simile ad altri test che abbiamo sviluppato, sarà utilizzabile nel giorno in cui i sintomi si sviluppano», afferma il dottor Lee Gehrke. «Non dobbiamo aspettare la comparsa di anticorpi contro il virus».

Se la Food and Drug Administration statunitense concede l'autorizzazione di emergenza, E25Bio potrebbe iniziare a testare la diagnostica con campioni di pazienti, che non sono stati ancora in grado di fare. «Se quelli hanno esito positivo, il passo successivo sarebbe parlare dell'utilizzo per un'effettiva diagnosi clinica», sostiene il dottor Lee Gehrke.

Un altro vantaggio di questo approccio è che i test su carta possono essere prodotti in modo facile ed economico in grandi quantità, aggiunge.

Vaccini RNA

Lo scorso 24 febbraio 2020, solo circa un mese dopo la segnalazione del primo caso di coronavirus negli Stati Uniti, la società biotecnologica Moderna di Cambridge ha annunciato di avere un vaccino sperimentale pronto per il test. Questa rapida inversione di tendenza è dovuta ai vantaggi unici dei vaccini RNA, afferma Daniel Anderson, (3) un professore di ingegneria chimica del MIT, che lavora anche su tali vaccini, anche se non specificamente per il coronavirus.

«Un vantaggio chiave dell'RNA messaggero è la velocità con cui è possibile identificare una nuova sequenza e utilizzarla per elaborare un nuovo vaccino», afferma il dottor Daniel G. Anderson.

I vaccini tradizionali consistono in una forma inattivata di una proteina virale che induce una risposta immunitaria. Tuttavia, questi vaccini di solito impiegano molto tempo a produrre e, per alcune malattie, sono troppo rischiosi. I vaccini costituiti da RNA messaggero sono un'alternativa allettante perché inducono le cellule ospiti a produrre molte copie delle proteine che codificano, provocando una risposta immunitaria più forte rispetto alle proteine fornite da sole.

I vaccini RNA possono anche essere riprogrammati rapidamente per colpire diverse proteine virali, purché sia nota la sequenza che codifica per la proteina. Finora il principale ostacolo allo sviluppo di tali vaccini è stato trovare modi efficaci e sicuri per somministrarli. Il laboratorio di Anderson ha lavorato su tali strategie per diversi anni e in uno studio (4) recente ha dimostrato che l'imballaggio di tali vaccini in un tipo speciale di nanoparticelle lipidiche può migliorare la risposta immunitaria che producono.

«L'RNA può codificare gli antigeni virali, ma per funzionare, dobbiamo trovare un modo per fornire questi antigeni nella parte corretta del corpo in modo che vengano espressi e generino una risposta immunitaria. Dobbiamo anche assicurarci che il vaccino causi un'adeguata stimolazione immunitaria per ottenere una risposta forte», afferma Anderson.

Il dottor Anthony S. Fauci, (5) direttore dell'Istituto nazionale per le allergie e le malattie infettive (NIAID), ha stimato che ci vorranno almeno 12-18 mesi per testare completamente qualsiasi potenziale vaccino Covid-19 per sicurezza ed efficacia.

Mantieni le distanze

Nell'ultimo decennio, la dottoressa Lydia Bourouiba, (6) professoressa associata alla direzione del Fluid Dynamics of Disease Transmission Laboratory presso il MIT, si è concentrata sulla caratterizzazione e la modellizzazione della dinamica e della trasmissione delle malattie infettive su varie scale. Attraverso esperimenti in laboratorio e in ambiente clinico, ha riferito che quando una persona tossisce o starnutisce, non emette uno spruzzo di singole goccioline che cadono rapidamente a terra ed evaporano, come avevano pensato una volta gli scienziati. Invece, produce una complessa nuvola di aria calda e umida che intrappola insieme goccioline di tutte le dimensioni, spingendole molto più in alto nell'aria di quanto ogni singola gocciolina viaggerebbe da sola.

In media, i suoi esperimenti (7) hanno rivelato che colpo di tosse può trasmettere goccioline fino a 4-5 metri, mentre uno starnuto può espellerle fino a 8 metri di distanza. Le condizioni dell'aria circostante possono agire per disperdere ulteriormente le goccioline residue nei livelli superiori delle stanze.

La dottoressa Lydia Bourouiba osserva che la presenza della nuvola di gas ad alta velocità è indipendente dal tipo di organismo o patogeno che la nuvola stessa può contenere. Le goccioline al suo interno dipendono dalle proprietà di un patogeno, insieme alla fisiologia del paziente, una combinazione che il suo laboratorio si è concentrato sulla decifrazione nel contesto dell'influenza. Ora sta espandendo i suoi studi e la sua modellazione a Covid-19, e dice che ora è un momento critico per investire nella ricerca. Ella spiega: «Questo virus rimarrà con noi per un po'- e certamente i dati suggeriscono che non scomparirà all'improvviso quando il tempo cambia. Esiste un equilibrio eccellente e importante tra sicurezza, precauzioni e azioni che è importante raggiungere per consentire e accelerare drasticamente la ricerca da svolgere ora in modo da poter essere meglio preparati e informati per le azioni nelle settimane e nei mesi a venire quando il peggio dei la pandemia si svolgerà.»

La professoressa Bourouiba sta anche lavorando con altri per valutare i modi per limitare la dispersione di una nuvola e rallentare la trasmissione Covid-19 agli operatori sanitari e ad altri in spazi condivisi. A tal proposito ella puntualizza: «Una maschera chirurgica non è protettiva contro l'inalazione di un agente patogeno dalla nuvola. Per un paziente infetto che la indossa, può contenere parte del getto composto da tosse o starnuti, ma si tratta di espulsioni molto violente completamente aperte su tutti i lati e il fluido scorre attraverso il percorso di minor resistenza.»

Sulla base dei dati, raccomanda agli operatori sanitari di indossare un respiratore ogni volta che sia possibile. E, per il grande pubblico, Bourouiba sottolinea che il rischio di contrarre COVID-19 rimane relativamente basso a livello locale e che il rischio dovrebbe essere considerato nel contesto della comunità.

Lavarsi le mani

Un altro buon modo per proteggersi da tutte quelle minuscole goccioline infettive è lavarsi le mani. (Ancora, ancora e ancora.)

Il dottor Ruben Juanes, (8) un professore del MIT, di ingegneria civile ambientale e di scienze della terra, atmosferiche e planetarie, ha pubblicato uno studio a dicembre che mostra l'importanza di migliorare i tassi di lavaggio delle mani negli aeroporti chiave al fine di ridurre la diffusione di un'epidemia. Egli dice che a seguito dell'epidemia di Covid-19, i governi di tutto il mondo hanno imposto restrizioni senza precedenti sulla mobilità, inclusa la chiusura degli aeroporti e la sospensione delle rotte di volo.

Allo stesso tempo, l'Organizzazione mondiale della sanità, i Centri statunitensi per il controllo delle malattie e molte altre agenzie sanitarie raccomandano l'igiene delle mani come la misura di precauzione numero uno contro la diffusione della malattia. «A seguito del nostro recente articolo sull'impatto dell'igiene delle mani sulla diffusione globale delle malattie», afferma Ruben Juanes, «stiamo attualmente studiando l'effetto combinato delle restrizioni sulla mobilità umana e un maggiore impegno con l'igiene delle mani sulla diffusione globale di COVID-19 attraverso la rete mondiale di trasporto aereo.»

Il dottor Ruben Juanes afferma che lui e il dottor Christos Nicolaides PhD '14, un professore all'Università di Cipro, autore principale dello studio precedente, stanno lavorando «con dati sul traffico aereo a livello mondiale che rappresentano tutti i voli nel periodo compreso tra il 15 gennaio 2020 fino ad oggi (contabilizzando chiusure / cancellazioni) e il corrispondente periodo del 2019 (livello base) per chiarire il ruolo delle restrizioni di viaggio sulla diffusione globale di Covid-19 attraverso modelli dettagliati epidemiologici.»

«Inoltre», aggiunge, «simuliamo diverse strategie di igiene delle mani negli aeroporti oltre alle restrizioni di viaggio con l'obiettivo di proporre una strategia ottimale che combini restrizioni di viaggio e maggiore igiene delle mani, per mitigare l'avanzamento di Covid-19 sia nel a breve termine (settimane) e a lungo termine (la prossima stagione influenzale).»

Ruben Juanes afferma che renderanno immediatamente disponibili i risultati tramite medarXiv, mentre il lavoro segue una ultriore verifica. Ciò consentirebbe inoltre alle informazioni di raggiungere altre istituzioni accademiche e governative in modo più tempestivo, afferma.

Riferimenti:

(1) Emergency Use Authorization

(2) Lee Gehrke

(3) Daniel G. Anderson

(4) Delivery system can make RNA vaccines more powerful

(5) Anthony S. Fauci

(6) Lydia Bourouiba

(7) A Sneeze

(8) Ruben Juanes

Descrizione foto: questa immagine al microscopio elettronico a scansione mostra SARS-CoV-2 (giallo), noto anche come 2019-nCoV, il virus che causa COVID-19, isolato da un paziente, che emerge dalla superficie delle cellule (blu / rosa) coltivate in laboratorio. . Credit: NIAID-RML.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Covid-19 diagnostic based on MIT technology might be tested on patient samples soon