Pequeñas perlas magnéticas producen una señal óptica que podría usarse para detectar patógenos rápidamente

Jul 07, 2023

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Obtener los resultados de un análisis de sangre puede llevar desde un día hasta una semana, dependiendo del objetivo de la prueba. Lo mismo ocurre con las pruebas de contaminación del agua y de alimentos. Y en la mayoría de los casos, el tiempo de espera tiene que ver con pasos que requieren mucho tiempo en el procesamiento y análisis de muestras.

Ahora, los ingenieros del MIT han identificado una nueva firma óptica en una clase ampliamente utilizada de perlas magnéticas, que podría usarse para detectar rápidamente contaminantes en una variedad de pruebas de diagnóstico. Por ejemplo, el equipo demostró que la firma podría usarse para detectar signos del contaminante alimentario Salmonella.

Las llamadas Dynabeads son perlas magnéticas microscópicas que pueden recubrirse con anticuerpos que se unen a moléculas objetivo, como un patógeno específico. Las Dynabeads se utilizan normalmente en experimentos en los que se mezclan en soluciones para capturar moléculas de interés. Pero a partir de ahí, los científicos tienen que tomar medidas adicionales que requieren mucho tiempo para confirmar que las moléculas están realmente presentes y unidas a las perlas.

El equipo del MIT encontró una manera más rápida de confirmar la presencia de patógenos unidos a Dynabead, utilizando óptica, específicamente, espectroscopía Raman. Esta técnica óptica identifica moléculas específicas en función de su "firma Raman", o la forma única en que una molécula dispersa la luz.

Los investigadores descubrieron que los Dynabeads tienen una firma Raman inusualmente fuerte que puede detectarse fácilmente, muy parecida a una etiqueta fluorescente. Descubrieron que esta firma puede actuar como un “reportero”. Si se detecta, la señal puede servir como una confirmación rápida, en menos de un segundo, de que un patógeno objetivo está realmente presente en una muestra determinada. El equipo está trabajando actualmente para desarrollar un dispositivo portátil para detectar rápidamente una variedad de patógenos bacterianos, y sus resultados aparecerán en un número especial de Emerging Investigators del Journal of Raman Spectroscope.

"Esta técnica sería útil en una situación en la que un médico intenta delimitar la fuente de una infección para poder informar mejor la prescripción de antibióticos, así como para la detección de patógenos conocidos en los alimentos y el agua", dice el coautor del estudio. Marissa McDonald, estudiante de posgrado del Programa Harvard-MIT en Ciencias y Tecnología de la Salud. "Además, esperamos que este enfoque conduzca eventualmente a un mayor acceso a diagnósticos avanzados en entornos con recursos limitados".

Los coautores del estudio en el MIT incluyen al asociado postdoctoral Jongwan Lee; el académico visitante Nikiwe Mhlanga; el científico investigador Jeon Woong Kang; el profesor de Tata Rohit Karnik, quien también es director asociado del Laboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos Abdul Latif Jameel; y la Profesora Asistente Loza Tadesse del Departamento de Ingeniería Mecánica.

aceite y agua

Buscar células enfermas y patógenos en muestras de fluidos es un ejercicio de paciencia.

"Es como un problema de aguja en un pajar", dice Tadesse.

Los números presentes son tan pequeños que deben cultivarse en ambientes controlados hasta alcanzar cantidades suficientes, y sus cultivos deben teñirse y luego estudiarse bajo un microscopio. Todo el proceso puede tardar de varios días a una semana para producir un resultado positivo o negativo confiable.

Tanto el laboratorio de Karnik como el de Tadesse han estado desarrollando técnicas de forma independiente para acelerar varias partes del proceso de prueba de patógenos y hacer que el proceso sea portátil, utilizando Dynabeads.

Las Dynabeads son perlas microscópicas disponibles comercialmente hechas de un núcleo de hierro magnético y una cubierta de polímero que puede recubrirse con anticuerpos. Los anticuerpos de superficie actúan como ganchos para unir moléculas diana específicas. Cuando se mezcla con un fluido, como un vial de sangre o agua, cualquier molécula presente se adherirá a las Dynabeads. Usando un imán, los científicos pueden empujar suavemente las perlas hacia el fondo de un vial y filtrarlas de una solución. El laboratorio de Karnik está investigando formas de separar aún más las perlas en aquellas que están unidas a una molécula objetivo y aquellas que no. "Aun así, el desafío es: ¿cómo sabemos que tenemos lo que estamos buscando?" dice Tadesse.

Las cuentas en sí no son visibles a simple vista. Ahí es donde entra en juego el trabajo de Tadesse. Su laboratorio utiliza la espectroscopía Raman como una forma de tomar huellas dactilares de patógenos. Ha descubierto que diferentes tipos de células dispersan la luz de formas únicas que pueden usarse como firma para identificarlas.

En el nuevo trabajo del equipo, ella y sus colegas descubrieron que los Dynabeads también tienen una firma Raman única y fuerte que puede actuar como una baliza sorprendentemente clara.

"Inicialmente buscábamos identificar las firmas de las bacterias, pero la firma de las Dynabeads era en realidad muy fuerte", dice Tadesse. "Nos dimos cuenta de que esta señal podría ser un medio para informarle si tiene esa bacteria o no".

baliza de prueba

Como demostración práctica, los investigadores mezclaron Dynabeads en viales de agua contaminada con Salmonella. Luego aislaron magnéticamente estas perlas en portaobjetos de microscopio y midieron la forma en que la luz se dispersaba a través del fluido cuando se exponía a la luz láser. En medio segundo, detectaron rápidamente la firma Raman de las Dynabeads, una confirmación de que las Dynabeads unidas y, por inferencia, Salmonella, estaban presentes en el fluido.

“Esto es algo que se puede utilizar para dar rápidamente una respuesta positiva o negativa: ¿hay algún contaminante o no?” dice Tadesse. "Porque incluso un puñado de patógenos puede causar síntomas clínicos".

La nueva técnica del equipo es significativamente más rápida que los métodos convencionales y utiliza elementos que podrían adaptarse a formas más pequeñas y portátiles, un objetivo en el que los investigadores están trabajando actualmente. El enfoque también es muy versátil.

"La Salmonella es la prueba de concepto", dice Tadesse. "Podrías comprar Dynabeads con anticuerpos contra E. coli y sucedería lo mismo: se uniría a la bacteria y podríamos detectar la firma de Dynabead porque la señal es súper fuerte".

El equipo está particularmente interesado en aplicar la prueba a afecciones como la sepsis, donde el tiempo es esencial y donde los patógenos que desencadenan la afección no se detectan rápidamente mediante pruebas de laboratorio convencionales.

"Hay muchos casos, como en la sepsis, en los que las células patógenas no siempre se pueden cultivar en una placa", dice Lee, miembro del laboratorio de Karnik. "En ese caso, nuestra técnica podría detectar rápidamente estos patógenos".

Esta investigación fue apoyada, en parte, por el Centro de Investigación Biomédica Láser del MIT, el Instituto Nacional del Cáncer y el Laboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos Abdul Latif Jameel del MIT.

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