Un nuevo prototipo de máscara facial puede detectar la infección por Covid-19

Los sensores se basan en una maquinaria celular liofilizada que el equipo de investigación ha desarrollado previamente para su uso en diagnósticos en papel de virus como el Ébola y el Zika. En un nuevo estudio, los investigadores demostraron que los sensores podrían incorporarse no solo a las mascarillas, sino también a la ropa, como las batas de laboratorio, ofreciendo potencialmente una nueva forma de controlar la exposición de los trabajadores sanitarios a una variedad de patógenos u otras amenazas.

"Hemos demostrado que podemos liofilizar una amplia gama de sensores de biología sintética para detectar ácidos nucleicos virales o bacterianos, así como sustancias químicas tóxicas, incluidas las toxinas nerviosas. Prevemos que esta plataforma podría hacer posible una nueva generación de biosensores portátiles para los equipos de respuesta inmediata, el personal sanitario y el personal militar", afirma James Collins, catedrático Termeer de Ingeniería y Ciencias Médicas del Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas (IMES) del MIT y del Departamento de Ingeniería Biológica, y autor principal del estudio.

Los sensores de la mascarilla están diseñados para que el usuario pueda activarlos cuando esté preparado para realizar la prueba, y los resultados sólo se muestran en el interior de la mascarilla, para mayor privacidad del usuario.

Peter Nguyen, investigador científico del Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada en la Biología de la Universidad de Harvard, y Luis Soenksen, Venture Builder de la Clínica Abdul Latif Jameel del MIT para el Aprendizaje Automático en Salud y antiguo postdoctorado en el Instituto Wyss, son los autores principales del artículo, que aparece hoy en Nature Biotechnology.

Sensores portátiles

Los nuevos sensores vestibles y la máscara facial de diagnóstico se basan en una tecnología que Collins comenzó a desarrollar hace varios años. En 2014, demostró que las proteínas y los ácidos nucleicos necesarios para crear redes genéticas sintéticas que reaccionan a moléculas objetivo específicas podían incrustarse en el papel, y utilizó este enfoque para crear diagnósticos en papel para los virus del Ébola y del Zika. En un trabajo con el laboratorio de Feng Zhang en 2017, Collins desarrolló otro sistema de sensores sin células, conocido como SHERLOCK, que se basa en las enzimas CRISPR y permite la detección altamente sensible de ácidos nucleicos.

Estos componentes del circuito sin células se liofilizan y permanecen estables durante muchos meses, hasta que se rehidratan. Cuando se activan con agua, pueden interactuar con su molécula objetivo, que puede ser cualquier secuencia de ARN o ADN, así como otros tipos de moléculas, y producir una señal como un cambio de color.

Más recientemente, Collins y sus colegas empezaron a trabajar en la incorporación de estos sensores a los textiles, con el objetivo de crear una bata de laboratorio para los trabajadores sanitarios u otras personas con posible exposición a patógenos.

En primer lugar, Soenksen realizó un cribado de cientos de tipos de tejidos diferentes, desde el algodón y el poliéster hasta la lana y la seda, para averiguar cuáles podrían ser compatibles con este tipo de sensores. "Acabamos identificando un par que se utilizan mucho en la industria de la moda para confeccionar prendas", dice. "La que mejor resultó fue una combinación de poliéster y otras fibras sintéticas".

Para fabricar los sensores vestibles, los investigadores incrustaron sus componentes liofilizados en una pequeña sección de este tejido sintético, donde están rodeados por un anillo de elastómero de silicona. Esta compartimentación impide que la muestra se evapore o se difunda fuera del sensor. Para demostrar la tecnología, los investigadores crearon una chaqueta incrustada con unos 30 de estos sensores.

Demostraron que una pequeña salpicadura de líquido con partículas virales, imitando la exposición a un paciente infectado, puede hidratar los componentes celulares liofilizados y activar el sensor. Los sensores pueden diseñarse para producir distintos tipos de señales, como un cambio de color que puede verse a simple vista, o una señal fluorescente o luminiscente, que puede leerse con un espectrómetro manual. Los investigadores también diseñaron un espectrómetro portátil que podría integrarse en el tejido, donde puede leer los resultados y transmitirlos de forma inalámbrica a un dispositivo móvil.

"Esto te da un ciclo de retroalimentación de información que puede monitorear tu exposición ambiental y alertarte a ti y a otros sobre la exposición y dónde ocurrió", dice Nguyen.

Una máscara facial de diagnóstico

Cuando los investigadores estaban terminando su trabajo sobre los sensores portátiles a principios de 2020, el Covid-19 comenzó a extenderse por todo el mundo, así que rápidamente decidieron intentar utilizar su tecnología para crear un diagnóstico del virus del SARS-CoV-2.

Para producir su máscara facial de diagnóstico, los investigadores incrustaron sensores SHERLOCK liofilizados en una máscara de papel. Al igual que con los sensores portátiles, los componentes liofilizados están rodeados de elastómero de silicona. En este caso, los sensores están colocados en el interior de la máscara, por lo que pueden detectar partículas víricas en el aliento de la persona que la lleva.

La máscara también incluye un pequeño depósito de agua que se libera al pulsar un botón cuando el usuario está listo para realizar la prueba. Esto hidrata los componentes liofilizados del sensor SARS-CoV-2, que analiza las gotas de aliento acumuladas en el interior de la máscara y produce un resultado en 90 minutos.

"Esta prueba es tan sensible como el estándar de oro, las pruebas de PCR de alta sensibilidad, pero es tan rápida como las pruebas de antígeno que se utilizan para el análisis rápido de Covid-19", afirma Nguyen.

Los prototipos desarrollados en este estudio tienen sensores en el interior de la máscara para detectar el estado del usuario, así como sensores colocados en el exterior de las prendas, para detectar la exposición del entorno. Los investigadores también pueden intercambiar sensores para otros patógenos, como la gripe, el ébola y el zika, o sensores que han desarrollado para detectar agentes nerviosos organofosforados.

"Gracias a estas demostraciones, hemos reducido la funcionalidad de las instalaciones de pruebas moleculares más modernas a un formato compatible con los escenarios de los dispositivos portátiles en una gran variedad de aplicaciones", afirma Soenksen.

Los investigadores han solicitado la patente de la tecnología y ahora esperan trabajar con una empresa para seguir desarrollando los sensores. Lo más probable es que la máscara facial sea la primera aplicación que podría estar disponible, dice Collins.

"Creo que la máscara facial es probablemente la más avanzada y la más cercana a un producto. Ya hemos recibido mucho interés por parte de grupos externos que querrían aprovechar los prototipos que tenemos y convertirlos en un producto aprobado y comercializado", afirma.

La investigación ha sido financiada por la Agencia de Reducción de la Amenaza de Defensa; el Grupo de Fronteras Paul G. Allen; el Instituto Wyss; Johnson and Johnson Innovation JLABS; el Instituto Ragon de MGH, MIT y Harvard; y la Fundación Patrick J. McGovern.