Onderzoekers van de Michigan State University en de University of British Columbia hebben een systeem uitgevonden dat snel en goedkoop virussen in de lucht kan detecteren met behulp van dezelfde technologie die hogesnelheidstreinen mogelijk maakt.

Het team toonde aan dat een techniek die bekend staat als magnetische levitatie kan worden gebruikt om gemakkelijk virussen uit de lucht te verzamelen en te concentreren om toekomstige uitbraken van luchtwegaandoeningen te helpen voorkomen. De onderzoekers publiceerden hun werk in het tijdschrift ACS Nano .

"Het is erg belangrijk om realtime beheer en realtime voorspellingen voor virussen te hebben", zegt Morteza Mahmoudi, universitair hoofddocent bij de afdeling Radiologie en het Precision Health Program bij MSU. "Wat we hebben ontwikkeld is een systeem dat ons en andere belanghebbenden zou kunnen helpen meer informatie te krijgen over de verschillende soorten virussen in de lucht die we inademen."

“Dit zou kunnen helpen vaststellen dat een omgeving besmet is voordat er een pandemie plaatsvindt”, zegt Sepideh Pakpour, een assistent-professor in de techniek die leiding gaf aan het onderzoeksteam op de UBC Okanagan Campus.

De nieuwe techniek van het team zou niet alleen dienen als systeem voor vroegtijdige waarschuwing, maar zou ook gezondheidsfunctionarissen en epidemiologen kunnen helpen de blootstelling aan virussen in openbare omgevingen beter te volgen en te traceren.

Pakpour en Mahmoudi startten dit project voor het eerst met de toepassing van magnetische levitatie, of maglev, op ademhalingsvirussen in 2018 met steun van de Walsh Foundation en het New Frontiers in Research Fund. Bijna de helft van de lagere luchtweginfecties wordt veroorzaakt door virussen die mensen binnenshuis inademen, schreven de onderzoekers in hun rapport.

Maar toen de pandemie van het coronavirus uitbrak en ze erachter kwamen dat deze werd veroorzaakt door een virus in de lucht, wisten ze dat ze hun inspanningen moesten verdubbelen. Het team gebruikte in hun proof-of-concept-rapport een gedeactiveerde versie van het coronavirus dat verantwoordelijk is voor COVID-19, samen met de H1N1-griep en een virus dat bacteriën infecteert die bekend staan ​​als bacteriofaag MS2.

Het systeem verzamelt eerst luchtmonsters en injecteert het monster vervolgens in een vloeistof waarin de magneet de virussen van andere deeltjes scheidt. De geïsoleerde en gezuiverde virale inhoud wordt vervolgens binnen enkele minuten doorgegeven aan andere standaard analytische technieken voor identificatie. De aanpak is zo eenvoudig dat deze kan worden gebruikt door niet-experts in verschillende omgevingen, zoals klinieken en luchthavens, aldus de onderzoekers.

Het team zet de eerste stappen in de richting van het commercialiseren van zijn technologie en werkt tegelijkertijd aan de verbetering ervan.

Hoewel downstream-technieken kunnen identificeren welke virussen in een monster zitten, is een van de toekomstige doelen van het team het verfijnen van de maglev-stap om onderscheid te maken tussen verschillende virussen op zichzelf. De onderzoekers werken er ook aan om de gevoeligheid van hun techniek te vergroten en virussen in de lucht bij lagere concentraties te detecteren.

Toch is het team enthousiast over wat het in zijn eerste werk heeft kunnen bereiken en over wat het andere onderzoekers in staat kan stellen te doen.

"Het gebruik van maglev voor het opsporen van ziekten en het zuiveren van virussen is gloednieuw en zou toepassingen op veel verschillende gebieden kunnen openen," zei Mahmoudi. "Dit opent een fundamenteel nieuwe richting in de analytische biochemie."

Een succesvolle testvlucht voor viruslevitatie

Magnetische levitatie maakt, zoals de naam al doet vermoeden, gebruik van magneten om de neerwaartse aantrekkingskracht van de zwaartekracht tegen te gaan. Maglev-treinen zweven boven hun spoor en kunnen, niet gehinderd door die contactwrijving, snelheden bereiken van meer dan 320 kilometer per uur. Hoewel magneetzweeftreinen al tientallen jaren bestaan, is het gebruik van magnetische levitatie in de biologie recenter.

Het was bijvoorbeeld pas de laatste tien jaar dat Stanford-onderzoekers aantoonden dat levende cellen magnetisch konden zweven in vloeibare mengsels of oplossingen. Vervolgens gebruikten ze de techniek om aan te tonen dat verschillende celtypen – gist, bacteriën, gezonde menselijke cellen en kankercellen – van elkaar konden worden gescheiden op basis van hun dichtheid.

Meer recentelijk hebben Pakpour en Mahmoudi samengewerkt om aan te tonen dat maglev kan worden toegepast op eiwitten in bloedplasma om te zoeken naar indicatoren van opioïdengebruik en multiple sclerose. Dat overtuigde hen ervan dat maglev ook met virussen zou moeten werken.

"Als je naar de structuur van virussen kijkt, zijn het meestal eiwitten, en we wisten dat we eiwitten konden laten zweven", zei Pakpour. "Dus ik wist dat dit zou moeten werken, maar ik was nog steeds verrast toen het werkte."

"Het was een hele uitdaging, vooral in het begin", zei Mahmoudi. "Conventionele maglev is niet in staat submicronvirussen te verzamelen, maar we hebben verschillende wijzigingen aangebracht en het systeem kunnen verfijnen."

Een van de uitdagingen was bijvoorbeeld dat de vloeistoffen die in conventionele maglev worden gebruikt, virussen konden beschadigen of vernietigen. Het team moest nieuwe oplossingen vinden die de gewenste magnetische eigenschappen hadden en compatibel waren met hun doelen.

Meer informatie: Sepideh Pakpour et al, Magnetisch levitatiesysteem isoleert en zuivert virussen in de lucht, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c01677

Journaalinformatie: ACS Nano

Aangeboden door Michigan State University