Разработана маска с датчиками, способная диагностировать COVID за 90 минут

Инженеры Массачусетского технологического института и Гарвардского университета разработали новую маску для лица, которая может диагностировать COVID-19 примерно за 90 минут. В маски встроены крошечные одноразовые датчики, которые могут быть установлены в другие маски, а также могут быть адаптированы для обнаружения других вирусов.

Датчики основаны на лиофилизированном клеточном оборудовании, которое исследовательская группа ранее разработала для использования в бумажной диагностике вирусов, таких как Эбола и Зика. В новом исследовании ученые показали, что датчики могут быть встроены не только в маски для лица, но и в одежду, например лабораторные халаты, потенциально предлагая новый способ мониторинга воздействия на медицинских работников различных патогенов или других угроз.

Датчики спроектированы таким образом, что их может активировать пользователь, когда он будет готов к выполнению теста, а результаты отображаются только внутри маски для обеспечения конфиденциальности пользователя.

Ведущими авторами разработки являются Питер Нгуен, научный сотрудник Института биологической инженерии Висса Гарвардского университета, и Луис Соенксен, создатель венчурного фонда клиники машинного обучения в области здравоохранения Массачусетского технологического института им. Абдула Латифа Джамиля.

Новые датчики и диагностическая маска для лица основаны на технологии, которую начали разрабатывать несколько лет назад. В 2014 году он показал, что белки и нуклеиновые кислоты, необходимые для создания синтетических генных сетей, которые реагируют на определенные целевые молекулы, могут быть встроены в бумагу, и они использовали этот подход для создания бумажных диагностических средств для вирусов Эбола и Зика. В сотрудничестве с лабораторией Фэн Чжана в 2017 году Джеймс Коллинз, профессор медицинской инженерии и науки в Институте медицинской инженерии и науки (IMES) и кафедре МIT разработал еще одну бесклеточную сенсорную систему, известную как SHERLOCK, которая основана на ферментах CRISPR и позволяет высокочувствительно обнаруживать нуклеиновые кислоты.

Эти бесклеточные компоненты контура лиофилизируются и остаются стабильными в течение многих месяцев до регидратации. При активации водой они могут взаимодействовать со своей молекулой-мишенью, которая может быть любой последовательностью РНК или ДНК, а также другими типами молекул, и производить такой сигнал, как изменение цвета.

Совсем недавно Коллинз и его коллеги начали работать над внедрением этих датчиков в текстильные изделия с целью создания лабораторного халата для медицинских работников или других лиц, потенциально подверженных воздействию патогенов.

Во-первых, Соенксен провел анализ сотен различных типов ткани, от хлопка и полиэстера до шерсти и шелка, чтобы выяснить, какие из них могут быть совместимы с этим типом датчика. «В итоге мы нашли пару, которая очень широко используется в индустрии моды для изготовления одежды», - говорит он. «Лучше всего было сочетание полиэстера и других синтетических волокон».

Чтобы сделать носимые датчики, исследователи встроили их лиофилизированные компоненты в небольшой участок этой синтетической ткани, где они окружены кольцом из силиконового эластомера. Такое разделение на части предотвращает испарение или диффузию образца из датчика. Чтобы продемонстрировать технологию, исследователи создали оболочку, в которую встроено около 30 таких датчиков.

Они показали, что небольшой всплеск жидкости, содержащей вирусные частицы, имитирующий воздействие инфицированного пациента, может гидратировать лиофилизированные клеточные компоненты и активировать датчик. Датчики могут быть спроектированы так, чтобы генерировать различные типы сигналов, включая изменение цвета, которое можно увидеть невооруженным глазом, или флуоресцентный или люминесцентный сигнал, который можно считывать с помощью портативного спектрометра. Исследователи также разработали носимый спектрометр, который можно интегрировать в ткань, где он может считывать результаты и передавать их по беспроводной сети на мобильное устройство.

Когда исследователи заканчивали свою работу над носимыми датчиками в начале 2020 года, Covid-19 начал распространяться по всему миру, поэтому они быстро решили попробовать использовать свою технологию для создания диагностики вируса SARS-CoV-2.

Для изготовления диагностической маски исследователи встроили лиофилизированные датчики SHERLOCK в бумажную маску. Как и в случае носимых датчиков, лиофилизированные компоненты окружены силиконовым эластомером. В этом случае датчики размещаются внутри маски, поэтому они могут обнаруживать вирусные частицы в дыхании человека, носящего маску.

Маска также включает в себя небольшой резервуар с водой, который выпускается одним нажатием кнопки, когда пользователь готов к выполнению теста. Это увлажняет лиофилизированные компоненты датчика SARS-CoV-2, который анализирует скопившиеся капли изо рта внутри маски и дает результат в течение 90 минут.

Прототипы, разработанные в этом исследовании, имеют датчики на внутренней стороне маски для определения статуса пользователя, а также датчики, размещенные на внешней стороне одежды, для обнаружения воздействия окружающей среды. Исследователи также могут заменить сенсоры на другие патогены, включая грипп, лихорадку Эбола и Зика, или сенсоры, которые они разработали для обнаружения фосфорорганических нервно-паралитических агентов.

Исследователи подали заявку на патент на эту технологию и теперь надеются сотрудничать с компанией для дальнейшей разработки сенсоров. По словам Коллинза, маска для лица - это, скорее всего, первое приложение, которое может стать доступным.