System, der bruger magnetisk levitation, muliggør tidlig luftbåren virusdetektion

Forskere fra Michigan State University og University of British Columbia har opfundet et system, der hurtigt og billigt kan detektere luftbårne vira ved hjælp af den samme teknologi, som muliggør højhastighedstog.

Holdet viste, at en teknik kendt som magnetisk levitation kan bruges til nemt at indsamle og koncentrere vira fra luften for at forhindre fremtidige udbrud af luftvejssygdomme. Forskerne publicerede deres arbejde i tidsskriftet ACS Nano .

"Det er meget vigtigt at have real-time management og real-time forudsigelser på plads for vira," sagde Morteza Mahmoudi, en lektor ved Institut for Radiologi og Precision Health Program ved MSU. "Det, vi har udviklet, er et system, der kunne hjælpe os og andre interessenter med at få mere information om de forskellige typer vira i den luft, vi indånder."

"Dette kan hjælpe med at identificere, at et miljø er forurenet, før en pandemi opstår," sagde Sepideh Pakpour, en assisterende professor i ingeniørvidenskab, der ledede forskerholdet på UBC Okanagan Campus.

Ud over at fungere som et tidligt varslingssystem kan holdets nye teknik også hjælpe sundhedsembedsmænd og epidemiologer med bedre at spore og spore eksponering for vira i offentlige omgivelser.

Pakpour og Mahmoudi startede først dette projekt med at anvende magnetisk levitation eller maglev til respiratoriske vira i 2018 med støtte fra Walsh Foundation og New Frontiers in Research Fund. Næsten halvdelen af ​​de nedre luftvejsinfektioner er forårsaget af vira, som folk indånder, mens de er indendørs, skrev forskerne i deres rapport.

Men da coronavirus-pandemien startede, og da de fandt ud af, at den var forårsaget af en luftbåren virus, vidste de, at de var nødt til at fordoble deres indsats. Holdet brugte en deaktiveret version af coronavirus, der er ansvarlig for COVID-19, i deres proof-of-concept-rapport sammen med H1N1-influenza og en virus, der inficerer bakterier kendt som bakteriofag MS2.

Systemet indsamler først luftprøver og sprøjter derefter prøven ind i en væske, hvor maglev adskiller vira fra andre partikler. Det isolerede og oprensede virale indhold føres derefter videre til andre standardanalytiske teknikker til identifikation i løbet af få minutter. Tilgangen er så ligetil, at den kan bruges af ikke-eksperter i en række forskellige miljøer, såsom klinikker og lufthavne, sagde forskerne.

Holdet tager de første skridt mod at kommercialisere sin teknologi, mens de arbejder på at forbedre den på samme tid.

Selvom downstream-teknikker kan identificere, hvilke vira der er i en prøve, er et af teamets fremtidige mål at forfine maglev-trinnet for at skelne mellem forskellige vira alene. Forskerne arbejder også på at øge deres tekniks følsomhed og detektere vira i luften i lavere koncentrationer.

Alligevel er holdet begejstret over, hvad det var i stand til at opnå i sit indledende arbejde, og over hvad det kan sætte andre forskere i stand til at gøre.

"At bruge maglev til sygdomsdetektion og rensning af vira er helt nyt, og det kan åbne op for applikationer på mange forskellige områder," sagde Mahmoudi. "Dette åbner op for en fundamentalt ny retning inden for analytisk biokemi."

En vellykket testflyvning for viruslevitation

Magnetisk levitation, som navnet antyder, bruger magneter til at modvirke tyngdekraftens nedadgående træk. Maglev-tog svæver over deres spor og kan, uhindret af den kontaktfriktion, opnå hastigheder på op mod 200 miles i timen. Mens maglev-tog har eksisteret i årtier, er brugen af ​​magnetisk levitation i biologien nyere.

For eksempel var det først inden for det sidste årti, at Stanford-forskere viste, at levende celler kunne svæves magnetisk i flydende blandinger eller opløsninger. De brugte derefter teknikken til at vise, at forskellige celletyper - gær, bakterier, sunde menneskeceller og kræftceller - kunne adskilles af deres tæthed.

For nylig har Pakpour og Mahmoudi samarbejdet for at vise, at maglev kan anvendes på proteiner i blodplasma for at lede efter indikatorer for opioidbrug og multipel sklerose. Det overbeviste dem om, at maglev også skulle arbejde med vira.

"Hvis du ser på strukturen af ​​vira, er de for det meste proteiner, og vi vidste, at vi kunne levitere proteiner," sagde Pakpour. "Så jeg vidste, at dette skulle virke, men jeg blev stadig overrasket, da det gjorde."

"Det var meget udfordrende, især i starten," sagde Mahmoudi. "Konventionel maglev er ikke i stand til at indsamle submikronvirus, men vi lavede adskillige ændringer og var i stand til at finjustere systemet."

En af udfordringerne var for eksempel, at de væsker, der blev brugt i konventionel maglev, kunne beskadige eller ødelægge vira. Holdet skulle finde nye løsninger, der havde ønskelige magnetiske egenskaber og var kompatible med deres mål.

Flere oplysninger: Sepideh Pakpour et al., Magnetic Levitation System Isolerer og renser luftbårne vira, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c01677

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af Michigan State University