Microfluídica en la detección del SARS-CoV-2

 Autor:

Luis Flores

Laboratorio de Microfluidos y BioMEMS

Departamento de Bioingeniería

lflores@utec.edu.pe

Los dispositivos de microfluidos o los “lab on a chip” (LOC) nos permiten desarrollar métodos de diagnóstico de bajo costo, así como el análisis de nuevos tratamientos, reduciendo la cantidad de reactivos a utilizar y permitiendo controlar, integrar y automatizar múltiples ensayos (Nature). Esta área de la bioingeniería se ha desarrollado mucho en los últimos 20 años y actualmente en la pandemia causada por el nuevo coronavirus se están desarrollando dispositivos microfluídicos para su detección en personas, lo cual causa un gran interés pues el desarrollo de una prueba rápida, de bajo costo, portátil y que requiera pocos reactivos sería una gran ayuda en la detección de las personas infectadas y el control de la pandemia ante la aún actual escasez de pruebas diagnósticas, limitación de reactivos y la logística que requiere abastecer a todos en circunstancias donde el tiempo es fundamental para la vida de las personas.

Figura 1: Uno de los primeros prototipos del cartucho microfluídico compatible con teléfonos inteligentes para detectar SARS-CoV-2. 

Fuente: Illinois Newsroom

Actualmente los métodos de diagnóstico usados son las pruebas moleculares detectando una secuencia genómica del virus, las pruebas serológicas detectando a través de su morfología o anticuerpos del paciente y por los síntomas específicos de la enfermedad. Mediante la incorporación de la tecnología de microfluidos, las pruebas clásicas basadas en la bioquímica se pueden hacer más rápido y requieren menos volumen de muestra. Así mismo es de gran ayuda en el desarrollo de nuevos tratamientos al poder evaluar el comportamiento del virus en estructuras 3D de diferentes órganos del cuerpo que brindan una aproximación más cercana a la fisiopatología del organismo que los modelos 2D o incluso que los modelos animales, lo que reduciría el tiempo de pruebas (1).

Aunque se están desarrollando, no existe a la fecha una vacuna ni tratamiento efectivo, por lo que tanto la prevención como la detección, notificaciones rápidas y el monitoreo de los casos son cruciales para el control de esta y futuras pandemias, es por ello importante mejorar las técnicas de diagnóstico actuales para el SARS-CoV-2 para que no solo sean específicas, si no también baratas, fáciles de aplicar, manipular e interpretar y el tiempo de espera de resultados sea poco. A continuación, mencionaremos uno de los proyectos más importantes de microfluídica para el diagnóstico rápido del SARS-CoV-2.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, liderado por el Profesor Brian T Cunningham desarrollaron un dispositivo microfluídico portátil diseñado para detectar virus y bacterias mediante un teléfono inteligente en 30 minutos y están tratando de adaptarlo para realizar pruebas para SARS-CoV-2 (2). Dicha plataforma comprende un chip microfluídico alojado en un cartucho que contiene los reactivos para la prueba y un puerto para insertar una muestra del frotis nasal o una muestra de sangre, así como unos canales donde se llevará a cabo una amplificación isotérmica (RT-LAMP) de ácidos nucleicos virales que podrán verse en color verde fluorescente al exponerlos a luz LED azul que luego se detectarán con la cámara del teléfono inteligente (2,3). Por propósitos de bioseguridad el dispositivo ha sido probado primeramente en muestras de caballos infectados por un virus causante de una  enfermedad respiratoria similar a la presentada en COVID-19 (herpesvirus 1, EHV1).

Figura 2: Cartucho de microfluidos fabricado aditivamente e instrumento POC (punto de atención) de mano. (A) Diagrama del cartucho de diagnóstico de microfluidos utilizado para la detección rápida de SARS-CoV-2 en VTM (medio de transporte viral) . Los puertos de entrada del fluido se acoplan con jeringas que inyectan reactivos RT-LAMP o muestra de paciente lisada térmicamente en una región de mezcla en serpentina en 3D antes de llenar la región de amplificación y diagnóstico. (B) Fotografías del cartucho microfluídico desechable. (C) Los escaneos 3D del cartucho de microfluidos y la vista ampliada de los grupos de detección en la región de amplificación y diagnóstico del cartucho.

Fuente: doi:10.1073/PNAS.2014739117 

El accesorio para teléfonos inteligentes, costaría alrededor de $50, y podría usarse para reducir el riesgo y requerimientos de traslado de material biológico y reducir así también la presión sobre los laboratorios de pruebas durante la pandemia.

Figura 3: Sistema chip de microfluidos unido al accesorio ensamblado al teléfono para la detección de SARS-CoV-2 mediante RT-LAMP. 

Fuente: doi:10.1073/PNAS.2014739117 

Figura 4: Pasos de la toma de muestra hasta la obtención de resultados por fluorescencia mediante la cámara del teléfono inteligente.

Fuente: doi:10.1073/PNAS.2014739117  

Video 1: Prueba rápida de COVID-19 y el prototipo de instrumento portátil. Se puede observar el llenado uniforme de las cámaras de amplificación, para 5000 copias/μL de virus en VTM y control negativo (solo VTM). 

Fuente: Science Dialy

El campo de la microfluídica es amplio y prometedor en el desarrollo de dispositivos de diagnóstico, monitoreo, y desarrollo de tratamientos tanto en el campo de la biomedicina, medicina, como en el agrario, acuicultura y ambiental, entre muchos otros. 

Bibliografia:

 1. Akeredolu O, Ivanova C. Coronavirus (SARS-Cov2) diagnostic with microfluidics. ELVE FLOW. 2020. Disponible en: https://www.elveflow.com/microfluidic-reviews/organs-on-chip-3d-cell-culture/coronavirus-diagnostic-with-microfluidics/

2. Portable Microfluidic Platform Developed for Detecting Coronavirus Using Smartphone. GEN - Genetic Engineering and Biotechnology News. 2020. Disponible en: https://www.genengnews.com/news/portable-microfluidic-platform-developed-for-detecting-coronavirus-using-smartphone/ 

3. Sun F, Ganguli A, Nguyen J, Brisbin R, Shanmugam K, Hirschberg D et al. Smartphone-based multiplex 30-minute nucleic acid test of live virus from nasal swab extract. Lab on a Chip. 2020;20(9):1621-1627.

4. Moline E. Communications G. Cunningham and Illinois researchers developing smartphone app for COVID-19 testing. Grainger College of Engineering. University Of Illinois Urbana-champaign. Ece.illinois.edu. 2020. Disponible en: https://ece.illinois.edu/newsroom/news/7982 

5. Ganguli A, Mostafa A, Berger J, Aydin M, Sun F, Ramirez S et al. Rapid isothermal amplification and portable detection system for SARS-CoV-2. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2020;:202014739.

6. Myers A. How a rapid field testing device could help head off future epidemics | Stanford News [Internet]. Stanford News. 2020 [cited 14 September 2020]. Disponible en: https://news.stanford.edu/2020/04/23/fast-portable-medical-lab-test-covi...