Novo biossensor pode detectar gripe aviária transmitida pelo ar em menos de 5 minutos

Especialistas em saúde pública buscam melhores maneiras de monitorar as infecções pelo H5N1.

Pela Universidade de Washington em St. Louis com informações de Science Daily.

À medida que a gripe aviária H5N1 altamente patogênica continua a se espalhar nos EUA, representando sérias ameaças às fazendas de laticínios e aves, tanto fazendeiros quanto especialistas em saúde pública precisam de melhores maneiras de monitorar infecções, em tempo real, para mitigar e responder a surtos. Graças à pesquisa da Washington University em St. Louis, que foi publicada em uma edição especial da ACS Sensors sobre “sensores de respiração”, rastreadores de vírus têm uma maneira de monitorar partículas de aerossol de H5N1.

Para criar seu sensor de gripe aviária, pesquisadores do laboratório de Rajan Chakrabarty, professor de engenharia energética, ambiental e química na Escola de Engenharia McKelvey da WashU, trabalharam com biossensores capacitivos eletroquímicos para melhorar a velocidade e a sensibilidade da detecção de vírus e bactérias.

O trabalho deles é crucialmente cronometrado, pois o vírus aviário tomou um rumo perigoso no último ano, sendo transmitido por partículas transportadas pelo ar para mamíferos, incluindo humanos. O vírus foi provado mortal em gatos, e houve pelo menos um caso de morte humana por H5N1.

“Este biossensor é o primeiro do seu tipo”, disse Chakrabarty, falando da tecnologia usada para detectar partículas de vírus e bactérias transportadas pelo ar. Cientistas já tiveram que usar métodos de detecção mais lentos com ferramentas de DNA de reação em cadeia da polimerase.

Chakrabarty observou que os métodos de teste convencionais podem levar mais de 10 horas, “tempo demais para impedir um surto”.

O novo biossensor funciona em cinco minutos, preservando a amostra dos micróbios para análise posterior e fornecendo uma gama de níveis de concentração de patógenos detectados em uma fazenda. Isso permite ação imediata, disse Chakrabarty.

O tempo é essencial na prevenção de um surto viral. Quando o laboratório começou a trabalhar nesta pesquisa, o H5N1 era transmissível apenas por meio do contato com pássaros infectados.

“À medida que este artigo evoluiu, o vírus também evoluiu; ele sofreu mutação”, disse Chakrabarty.

Os Estados Unidos monitoram a saúde animal e os surtos de patógenos em fazendas por meio do Serviço de Inspeção de Saúde Animal e Vegetal (APHIS) do USDA, que relatou pela última vez que houve pelo menos 35 novos casos de H5N1 em gado leiteiro em quatro estados, principalmente na Califórnia.

“As cepas são muito diferentes desta vez”, disse Chakrabarty.

Se os fazendeiros suspeitarem de doença, eles podem enviar o animal para os laboratórios do departamento estadual de agricultura para teste. No entanto, é um processo lento que pode ser ainda mais atrasado devido ao acúmulo de casos, já que o H5N1 ultrapassa as granjas avícolas e leiteiras. As opções de mitigação incluem medidas de biossegurança, como quarentena de animais, higienização de instalações e equipamentos e controles de proteção para limitar a exposição animal, incluindo abate em massa. O USDA também emitiu recentemente uma licença condicional para uma vacina contra a gripe aviária, o que pode proporcionar mais alívio aos avicultores ansiosos por reduzir os preços dos ovos.

Chakrabarty está pronto para apresentar este biossensor ao mundo e observa que ele foi construído para ser portátil e acessível para produção em massa.

Como funciona

A unidade integrada de detecção e amostragem de patógenos tem aproximadamente o tamanho de uma impressora de mesa e pode ser colocada onde as fazendas ventilam os gases de exaustão de galinhas ou alojamentos de gado. A unidade é uma maravilha da engenharia interdisciplinar que consiste em um “amostrador de bioaerossol de ciclone úmido” que foi originalmente desenvolvido para amostragem de aerossóis SARS-CoV-2. O ar carregado de patógenos entra no amostrador em velocidades muito altas e é misturado com o fluido que reveste as paredes do amostrador para criar um vórtice de superfície, prendendo assim os aerossóis do vírus. A unidade tem um sistema de bombeamento automatizado que envia o fluido amostrado a cada cinco minutos para o biossensor para detecção perfeita do vírus.

O cientista sênior da Chakrabarty, Meng Wu, juntamente com o estudante de pós-graduação Joshin Kumar, empreenderam a árdua tarefa de otimizar a superfície do biossensor eletroquímico para aumentar sua sensibilidade e estabilidade para detecção do vírus em pequenas quantidades (menos de 100 cópias de RNA viral por metro cúbico de ar).

O biossensor usa “sondas de captura” chamadas aptâmeros, que são fitas simples de DNA que se ligam a proteínas do vírus, sinalizando-as. O grande desafio da equipe foi encontrar uma maneira de fazer esses aptâmeros funcionarem com a superfície de 2 milímetros de um eletrodo de carbono nu na detecção de patógenos.

Após meses de tentativa e erro, a equipe descobriu a receita certa para modificar a superfície de carbono usando uma combinação de óxido de grafeno e nanocristais de azul da Prússia para aumentar a sensibilidade e a estabilidade do biossensor. A etapa final envolveu amarrar a superfície do eletrodo modificado ao aptâmero por meio do reticulador glutaraldeído, que Xu e Kumar disseram ser o “ingrediente secreto” para funcionalizar a superfície de um eletrodo de carbono nu para detectar H5N1.

Eles acrescentaram que uma grande vantagem da técnica de detecção da equipe é que ela é não destrutiva. Após testar a presença de um vírus, a amostra pode ser armazenada para análise posterior por técnicas convencionais, como PCR.

A unidade integrada de amostragem e detecção de patógenos funciona automaticamente — uma pessoa não precisa ter experiência em bioquímica para usá-la. Ela é feita com materiais acessíveis e fáceis de produzir em massa. O biossensor pode fornecer faixas de concentração de H5N1 no ar e alertar os operadores sobre picos de doenças em tempo real. Xu disse que o conhecimento dos níveis pode ser usado como um indicador geral de “ameaça” em uma instalação e deixar os operadores saberem se o equilíbrio do patógeno atingiu níveis perigosos.

Essa capacidade de oferecer uma gama de concentrações de vírus é outra “primeira vez” na tecnologia de sensores.

Mais importante ainda, ele pode ser ampliado para encontrar muitos outros patógenos perigosos em um único dispositivo.

“Este biossensor é específico para H5N1, mas pode ser adaptado para detectar outras cepas do vírus influenza (por exemplo, H1N1) e SARS-CoV-2, bem como bactérias (E. Coli e pseudomonas) na fase de aerossol”, disse Chakrabarty. “Demonstramos essas capacidades do nosso biossensor e relatamos as descobertas no artigo.”

A equipe está trabalhando para comercializar o biossensor. A Varro Life Sciences, uma empresa de biotecnologia de St. Louis, consultou a equipe de pesquisa durante os estágios de design do biossensor para facilitar sua possível comercialização no futuro.

O financiamento para esta pesquisa foi fornecido pelo Flu Lab.

Fonte da história:
Materiais fornecidos pela Washington University em St. Louis . Original escrito por Leah Shaffer. Nota: O conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e ao comprimento.

Referência do periódico :
Joshin Kumar, Meng Xu, Yuezhi August Li, Shu-Wen You, Brookelyn M. Doherty, Woodrow D. Gardiner, John R. Cirrito, Carla M. Yuede, Ananya Benegal, Michael D. Vahey, Astha Joshi, Kuljeet Seehra, Adrianus C.M. Boon, Yin-Yuan Huang, Joseph V. Puthussery, Rajan K. Chakrabarty. Capacitive Biosensor for Rapid Detection of Avian (H5N1) Influenza and E. coli in Aerosols. ACS Sensors, 2025; DOI: 10.1021/acssensors.4c03087