In uno studio recentemente pubblicato sulla rivista Piccolo, gli autori forniscono una revisione sulle tecnologie sia su micro che su nanoscala che hanno avanzato la diagnosi delle malattie virali.
Studio:Tecnologie su micro e nanoscala per la diagnosi delle infezioni virali. Credito di immagine:nito/Shutterstock.com
La diagnosi delle infezioni virali dipende in gran parte dalla capacità di misurare molecole virali come oligonucleotidi o glicoproteine in un campione biologico. Alcuni dei metodi convenzionali utilizzati per farlo includono la reazione a catena della polimerasi (PCR), immunodosaggi in fase solida (SPI), coltura cellulare, e immunofluorescenza.
Sebbene questi metodi siano affidabili e rapidi, sono spesso associati a diverse limitazioni tra cui costi relativamente elevati, la complessità dei metodi, la necessità di personale qualificato per condurre questi esperimenti, e una mancanza di alta precisione. Questi approcci non sono inoltre in grado di rilevare circa un terzo delle infezioni virali respiratorie, gastroenterite virale, ed encefalite virale.
Chiaramente, rimane la necessità di tecnologie diagnostiche a basso costo che siano pratiche, portatile, affidabile, preciso, e consentire applicazioni point-of-care (POC). L'emergere di tecnologie su micro e nanoscala ha offerto una potenziale soluzione alle sfide associate ai metodi convenzionali utilizzati per la diagnosi virale.
Alcuni dei principali vantaggi associati alle tecnologie su micro e nanoscala includono la miniaturizzazione, automazione, praticità, e natura user-friendly. Queste tecnologie utilizzano spesso canali microfluidici a basso costo con un elevato rapporto superficie-volume e requisiti minimi di volume, riducendo così il consumo di campioni e costosi reagenti. Le tecnologie su micro e nanoscala sono soluzioni convenienti in grado di rilevare l'enorme diversità di virus dei mammiferi noti per infettare l'uomo.
Ad oggi, sono state utilizzate tecnologie su micro e nanoscala per migliorare tutti gli aspetti dei processi diagnostici delle malattie virali. Ciò include il campionamento, elaborazione del campione, riconoscimento, arricchimento, metodi di rilevamento.
Vari tipi di campioni ottenuti dal corpo umano possono essere utilizzati per rilevare molecole virali a scopo diagnostico. Per la maggior parte dei test di laboratorio, questi campioni includono saliva, sperma, urina, espettorato, e feci. Però, i campioni possono essere prelevati anche quando il paziente è sottoposto ad intervento chirurgico e/o è in anestesia, che include cerebrospinale, amniotico, cavo, o liquido sinoviale.
I tamponi basati su patch Microneedle (MN) sono stati utilizzati per diversi decenni a scopo di campionamento. Alcuni vantaggi associati ai cerotti MN includono un'elevata superficie e la capacità di penetrare in profondità nella pelle, consentendo così la cattura efficiente dei virus. Infatti, quando utilizzato per la diagnosi eziologica precoce di COVID-19, sono stati evitati alti tassi di "falsi risultati negativi".
Sono stati inoltre sviluppati diversi tipi di dispositivi di campionamento dell'aria espirata per il rilevamento virale basati su tecnologie su micro e nanoscala. Rispetto ai precedenti dispositivi di espirazione che sono molto scomodi, questi nuovi dispositivi sono più comodi e possono quindi essere utilizzati per la diagnosi precoce delle infezioni virali respiratorie.
Tra le diverse tecnologie su micro e nanoscala che sono state utilizzate per far progredire i metodi di rilevamento virale, ci sono le tecnologie microfluidica. L'elaborazione di campioni microfluidici può rilevare rapidamente i patogeni virali in un ambiente dinamico.
Le tecnologie Lab-on-chip dotate di sistemi microfluidici hanno prodotto risultati promettenti per la loro utilità nella diagnosi dei virus. Ogni canale del sistema microfluidico ha una funzione specifica come la preparazione del campione, miscelazione dei reagenti, o rilevamento, consentendo così l'integrazione di metodi di rilevamento convenzionali in un chip miniaturizzato.
Alcuni vantaggi associati a questo tipo di dispositivo diagnostico includono requisiti minimi di volume del campione e versatilità per scopi sia clinici che personali. Per di più, questi dispositivi microfluidici sono anche in grado di separare eventuali molecole indesiderate dal bersaglio di interesse, consentendo così di rilevare facilmente i virus nel sangue, saliva, tamponi nasofaringei, o campioni di urina.
Poiché molti campioni avranno basse concentrazioni di importanti biomarcatori che vengono utilizzati per supportare la diagnosi di un virus, sono essenziali tecniche di riconoscimento e arricchimento accurate e affidabili. Poiché i virus sono organismi estremamente piccoli che possono avere dimensioni comprese tra 20 e 90 nanometri (nm), è fondamentale che i metodi di riconoscimento e di arricchimento siano in grado di isolare, visualizzare, e differenziare questi piccoli microrganismi da altre molecole all'interno del campione.
A tal fine, diverse nanoparticelle tra cui punti quantici, così come nanoparticelle a base di carbonio e metalliche, sono stati utilizzati per varie applicazioni virali. In particolare, nanoparticelle funzionalizzate che sono state coniugate con biomolecole come acidi nucleici, anticorpi, o le proteine hanno aumentato la specificità delle tecniche di amplificazione rilevando virus, anche se presente a concentrazioni molto basse.
Sono state sviluppate diverse tecniche di rilevamento basate su tecnologie su micro e nanoscala nel tentativo di migliorare la sensibilità, efficacia dei costi, e facilità d'uso rispetto ai metodi di rilevamento convenzionali.
Tecniche basate su nanoparticelle, Per esempio, spesso utilizzano nanoparticelle metalliche e non metalliche a causa della loro utilità nel rilevare malattie infettive. Alcune delle nanoparticelle metalliche più comuni che sono state utilizzate per questo scopo includono oro, d'argento, ossido di ferro, ossido di zinco, e nanoparticelle di biossido di titanio.
Sono state impiegate anche diverse tecniche basate su microchip per il rilevamento dei virus. Sensori ottici, sensori elettronici, elettromagnetico, biosensori piezoelettrici, e biosensori microarray di acido desossiribonucleico (DNA) sono alcune delle diverse tecnologie che sono state accoppiate con piattaforme on-a-chip per miniaturizzare i metodi diagnostici.
Alcuni dei diversi metodi che sono stati impiegati per produrre dispositivi microfluidici facili da usare e a basso costo includono la microlavorazione, fresatura a controllo numerico computerizzato, litografia morbida, e anidride carbonica (CO 2 ) taglio laser.
Sono stati utilizzati anche metodi di stampa bidimensionale (2D) e tridimensionale (3D) per accelerare la produzione di vari dispositivi di diagnostica virale. È importante sottolineare che La stampa 3D può essere combinata con altri metodi di produzione convenzionali, come la lavorazione, fresatura, e litografia, nel tentativo di fabbricare dispositivi complessi.
Ulteriori metodi di fabbricazione che sono stati discussi per la loro utilità nella produzione di sistemi su micro e nanoscala per scopi diagnostici virali includono la serigrafia, xurografia, e lab-on-printed circuit board (PCB).
Globale, sia le micro che le nanotecnologie hanno ruoli sempre più crescenti nei processi diagnostici virali. La convalida clinica e l'ottimizzazione di queste tecnologie sono ancora necessarie per far avanzare la loro integrazione sia nella ricerca che nelle applicazioni cliniche.
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