.
Usando enxames de ímãs do tamanho de cabeças de alfinete dentro de um kit portátil de laboratório tudo-em-um, os pesquisadores da UCLA desenvolveram uma tecnologia que pode aumentar significativamente a velocidade e o volume dos testes de doenças, reduzindo os custos e o uso de suprimentos escassos.
Os testes automatizados podem ser facilmente fabricados, implantados e executados em tempo hábil em um consultório médico, clínica de saúde ou em locais de testes em massa em aeroportos e escolas no início de qualquer doença infecciosa importante. A equipe de pesquisa liderada pela UCLA foi motivada pela falta de acesso equitativo aos testes durante os primeiros meses da pandemia do COVID-19, quando apenas alguns laboratórios clínicos foram autorizados a realizar testes. O avanço da tecnologia pode ajudar as autoridades a se prepararem melhor para futuras pandemias, descentralizando os testes e maximizando o uso de recursos.
O professor da Escola de Engenharia da UCLA Samueli, Dino Di Carlo, de bioengenharia, e o professor associado Sam Emaminejad, de engenharia elétrica e de computação, foram co-autores de um estudo publicado esta semana na Natureza. O artigo descreveu como o kit de laboratório funciona e incluiu resultados de um estudo clínico com amostras de teste de indivíduos que apresentaram sintomas de COVID-19. Mais de 100 resultados de testes usando o kit de laboratório foram comparados com as mesmas amostras testadas para COVID-19 usando diagnóstico molecular baseado em reação em cadeia da polimerase (PCR) realizado como parte dos cuidados clínicos de rotina da UCLA Health.
“Nossa tecnologia de laboratório portátil pode ajudar a superar algumas das barreiras de escassez e acesso a testes, especialmente no início de uma pandemia, quando é mais crucial controlar a propagação de doenças”, disse Emaminejad, que também é professor de bioengenharia. “E além de seu potencial para resolver problemas de escassez de suprimentos e alta demanda, ele pode ser amplamente adaptado para testar muitos tipos de doenças em campo e com qualidade de laboratório”.
Usando uma placa de circuito que controla um conjunto de discos magnéticos móveis de 1 milímetro conhecidos como “ferrobots” para transportar amostras através do fluxo de trabalho de diagnóstico de um teste de amplificação de ácido nucleico (NAAT), o kit de laboratório ultrassensível dos pesquisadores foi capaz de para detectar a presença de material genético de um vírus – neste caso, SARS-CoV-2 que causa o COVID-19. As etapas para separar, classificar, misturar e amplificar as amostras de teste são todas automatizadas e executadas em um nível miniaturizado dentro do kit.
“O design compacto desta plataforma e o manuseio automatizado de amostras permitem implementações fáceis de testes agrupados, onde você pode testar dezenas de amostras de pacientes ao mesmo tempo, e tudo com os mesmos materiais usados atualmente para testar apenas um paciente”, disse Di Carlo, que ocupa a cadeira Armond e Elena Hairapetian da UCLA em Engenharia e Medicina. “Por exemplo, você pode testar os alunos em uma residência universitária inteira com apenas algumas dezenas de kits de teste.”
Ao projetar o kit para testes em pool, o sistema requer quantidades muito menores de reagentes químicos do que as necessárias para testar as amostras individualmente. Até 16 amostras foram combinadas e testadas ao mesmo tempo no estudo da equipe. Se o teste agrupado mostrasse um resultado positivo, os testes subsequentes ocorreriam automaticamente na mesma plataforma até que as amostras positivas reais fossem identificadas. Todo esse processo levava entre 30 a 60 minutos, dependendo se havia amostras positivas. Graças à miniaturização do ensaio da tecnologia e aos recursos de teste em pool, os custos dos reagentes químicos podem ser reduzidos de 10 a 300 vezes.
Além de poder testar várias doenças simultaneamente, a plataforma também oferece precisão e automação robusta. Por exemplo, em um teste combinado com 16 amostras, mais de 300 operações de laboratório, incluindo mistura e classificação, foram automatizadas pelos ferrobots – ou seja, mais de 3.000 movimentos individuais ou atuações. Em seus estudos de confiabilidade, os pesquisadores mostraram que os ferrobots podem realizar mais de 8 milhões de acionamentos sem erros.
Além de Di Carlo e Emaminejad, que são membros do corpo docente do Instituto de Nanosistemas da Califórnia na UCLA, os principais autores deste estudo são o pesquisador de pós-doutorado da UCLA, Haisong Lin, e os alunos de pós-graduação Wenzhuo Yu e Kiarash Sabet – todos são membros do Emaminejad’s Interconnected e Laboratório de Bioeletrônica Integrada da UCLA.
Outros autores são estudantes de pós-graduação em engenharia da UCLA, Michael Bogumil, Jacob Hambalek e Shuyu Lin; e pesquisador de pós-doutorado Yichao Zhao; bem como o professor clínico assistente da UCLA Health, Sukantha Chandrasekaran, e o professor clínico associado Omai Garner, de patologia e medicina laboratorial.
A pesquisa foi apoiada pelo Programa de Prêmios de Pesquisa COVID-19 da WM Keck Foundation, pela National Science Foundation e pelo NSF Engineering Research Center de Tecnologias Avançadas Precisas e Sistemas de Saúde para Populações Desfavorecidas (PATHS-UP). O UCLA Nanoelectronics Research Facility forneceu acesso ao equipamento de fabricação usado para o estudo. Lin, Yu, Sabet, Di Carlo e Emaminejad apresentaram um pedido de patente por meio do Grupo de Desenvolvimento de Tecnologia da UCLA para a tecnologia usada no novo sistema.
.
