Systeem dat gebruik maakt van magnetische levitatie maakt vroege detectie van virussen in de lucht mogelijk

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 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 van MSU. “Wat we hebben ontwikkeld, is een systeem dat ons en andere belanghebbenden kan helpen meer informatie te krijgen over de verschillende soorten virussen in de lucht die we inademen.”

“Dit kan helpen vaststellen dat een omgeving besmet is voordat er een pandemie uitbreekt”, zegt Sepideh Pakpour, een assistent-professor in engineering die het onderzoeksteam leidde op de UBC Okanagan Campus.

Naast het dienen als een systeem voor vroegtijdige waarschuwing, kan de nieuwe techniek van het team ook gezondheidsfunctionarissen en epidemiologen helpen de blootstelling aan virussen in openbare omgevingen beter op te sporen en te traceren.

Pakpour en Mahmoudi begonnen in 2018 met steun van de Walsh Foundation en het New Frontiers in Research Fund voor het eerst met dit project waarbij magnetische levitatie of maglev wordt toegepast op respiratoire virussen. Bijna de helft van de infecties van de onderste luchtwegen wordt veroorzaakt door virussen die mensen binnenshuis inademen, schreven de onderzoekers in hun rapport.

Maar toen de pandemie van het coronavirus begon en ze hoorden dat het werd veroorzaakt door een virus in de lucht, wisten ze dat ze hun inspanningen moesten verdubbelen. Het team gebruikte een gedeactiveerde versie van het coronavirus dat verantwoordelijk is voor COVID-19 in hun proof-of-concept-rapport, samen met H1N1-influenza 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 waar magneetzweefvirussen 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 door niet-experts in verschillende omgevingen kan worden gebruikt, zoals klinieken en luchthavens, aldus de onderzoekers.

Het team zet de eerste stappen om zijn technologie te commercialiseren en werkt tegelijkertijd aan verbetering ervan.

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

Toch is het team enthousiast over wat het in zijn eerste werk heeft kunnen bereiken en over wat het andere onderzoekers mogelijk kan maken.

“Het gebruik van maglev voor ziektedetectie en het zuiveren van virussen is gloednieuw en het 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 gebruikt, zoals de naam al doet vermoeden, magneten om de neerwaartse aantrekkingskracht van de zwaartekracht tegen te gaan. Maglev-treinen zweven boven hun sporen en kunnen, niet gehinderd door die contactwrijving, snelheden bereiken van meer dan 200 mijl per uur. Hoewel magneetzweeftreinen al tientallen jaren bestaan, is het gebruik van magnetische levitatie in de biologie recenter.

Het was bijvoorbeeld pas in het afgelopen decennium dat Stanford-onderzoekers hebben aangetoond dat levende cellen magnetisch kunnen zweven in vloeibare mengsels of oplossingen. Vervolgens gebruikten ze de techniek om te laten zien dat verschillende celtypen – gist, bacteriën, gezonde menselijke cellen en kankercellen – konden worden gescheiden door 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 gebeurde.”

“Het was erg uitdagend, vooral in het begin”, zei Mahmoudi. “Conventionele maglev is niet in staat om submicron-virussen te verzamelen, maar we hebben verschillende wijzigingen aangebracht en hebben het systeem kunnen verfijnen.”

Een van de uitdagingen was bijvoorbeeld dat de vloeistoffen die in conventionele maglevs 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.