(COVID 19-Immagine Credit Public Domain).
Attraverso una recente sovvenzione, i ricercatori della Penn University stanno sviluppando un dispositivo in grado di rilevare rapidamente COVID-19 in base al profilo di odore unico della malattia.
Anche se i vaccini COVID-19 vengono ormai lanciati in tutto il paese, le numerose sfide poste dalla pandemia non saranno tutte risolte immediatamente. Poiché raggiungere l’immunità di gregge richiederà del tempo e il vaccino non è stato ancora approvato per alcuni gruppi, come i bambini sotto i 16 anni di età, i prossimi mesi vedranno una continua necessità di strumenti per monitorare rapidamente la malattia.
Un team di ricercatori della Penn University sta lavorando a un nuovo “naso elettronico” che potrebbe aiutare a monitorare la diffusione di COVID-19. Guidato dal fisico Charlie Johnson, il progetto, che ha ricevuto recentemente una sovvenzione di 2 milioni di dollari dal NIH, mira a sviluppare dispositivi portatili rapidi e scalabili in grado di individuare le persone con COVID-19 in base al profilo di odore unico della malattia.
Cani e dispositivi in grado di rilevare malattie
Molto prima che il “coronavirus” entrasse nella lingua volgare, Johnson stava collaborando con Cynthia Otto, Direttrice del Penn Vet Working Dog Center e George Preti del Monell Chemical Senses Center per diagnosticare le malattie usando l’odore. È noto che le malattie alterano una serie di processi fisici, inclusi gli odori corporei e l’obiettivo della collaborazione era sviluppare nuovi modi per rilevare i composti organici volatili (COV) che erano unici per il cancro ovarico.
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Dal 2012, i ricercatori hanno sviluppato nuovi modi per diagnosticare il cancro ovarico in stadio iniziale. Otto ha addestrato i cani a riconoscere i campioni di plasma sanguigno di pazienti con cancro ovarico usando il loro senso dell’olfatto acuto. Preti, scomparsa lo scorso marzo, stava cercando i COV specifici che conferissero al cancro ovarico un odore unico. Johnson ha sviluppato una matrice di sensori, una versione elettronica del naso del cane, composta da nanotubi di carbonio intrecciati con DNA a filamento singolo. Questo dispositivo si lega ai COV e può determinare campioni provenienti da pazienti con cancro ovarico.
La scorsa primavera, quando la minaccia della pandemia è diventata sempre più evidente, Johnson e Otto hanno spostato i loro sforzi per vedere se potevano addestrare i loro dispositivi di rilevamento della malattia e i cani per individuare i pazienti con COVID-19.
Un perno per monitorare COVID 19
Nei primi giorni della pandemia, Otto e colleghi del Working Dog Center stabilirono un processo per la raccolta di campioni da persone che venivano testate per COVID-19. Dopo aver identificato le persone che sono state recentemente testate, vengono inviate magliette di cotone semplice ai partecipanti allo studio da indossare durante la notte. Dopo aver assorbito l’odore della persona, le magliette vengono rispedite alla Penn, dove Otto le taglia a metà e mette ciascuna metà in barattoli di vetro Ball, con una parte che va al laboratorio di Johnson e l’altra al Working Dog Center.
Nel laboratorio Johnson, i pezzi delle magliette vengono posizionati sulla matrice del sensore e viene utilizzata una linea del gas per “spingere” fuori l’aroma. Se viene rilevata una specifica firma VOC collegata a uno stato di malattia, l’array di sensori genera un modello di correnti elettriche che vengono analizzate da un computer utilizzando algoritmi di apprendimento automatico. I risultati vengono restituiti in 2-5 minuti e il sistema non richiede alcun reagente.
“In questa fase iniziale, stiamo effettivamente utilizzando lo stesso array identico per il cancro ovarico per questo compito, e sembra che questo sistema possa rilevare differenze di odore dalla malattia”, spiega Johnson. “Abbiamo misurato 30 di quei campioni di magliette e la nostra capacità di discriminare è sensibile al 92% e specifica all’87%“. In altre parole, il dispositivo può rilevare costantemente la firma VOC univoca di una persona con COVID-19 e può anche determinare se qualcuno è negativo per il virus.
Dal proof-of-concept al test sul campo
“Questa è la nostra versione di Warp Speed”, dice Johnson riguardo al progetto appena finanziato. “L’obiettivo è avere uno strumento portatile, non misurare le magliette, ma cercare di misurare le persone. È un grande passo avanti, ma pensiamo di poterlo fare“.
Per raggiungere il nobile obiettivo di sviluppare un dispositivo sniffatore COVID veloce e portatile, Johnson sta collaborando con un gruppo di ricercatori della Penn e di altre istituzioni. Ciò include Otto, che sarà coinvolto nella raccolta di campioni aggiuntivi, il medico di pronto soccorso Benjamin Abella che coordinerà l’assistenza dei pazienti al pronto soccorso della Penn Medicine e presso le cliniche della comunità a West Philadelphia, la dermatologa Carrie Lynn Kovarik per aver acquisito una migliore comprensione di come i COV emanano dalla pelle e lo scienziato informatico Lyle Ungar per l’ottimizzazione degli algoritmi di apprendimento automatico per l’analisi dei dati.
Quindi, per aiutare a tradurre il loro sistema su un dispositivo portatile commerciale, i ricercatori lavoreranno con VOC Health allo sviluppo di progetti per uno strumento portatile che potrebbe essere prodotto su larga scala. “Richard Postrel e io abbiamo fondato VOC Health per unirci e commercializzare abilmente le nostre tecnologie”, afferma Johnson. “Il pensiero innovativo di Richard ci consente di sfruttare abilmente e capitalizzare il lavoro svolto dai talentuosi ricercatori della Penn University”. Il team collaborerà anche con Kenneth G. Furton della Florida International University che condurrà analisi chimiche sui campioni di magliette per determinare quali COV sono responsabili del profilo di odore di COVID-19. Con maggiori informazioni su cosa siano esattamente questi composti, i ricercatori possono perfezionare il dispositivo e renderlo più specifico per COVID-19.
Immagine Credit: University of Pennsylvania.
L’obiettivo è sviluppare un prototipo di dispositivo per i test sui pazienti nel prossimo anno ed essere pronti a richiedere l’autorizzazione alla Food and Drug Administration tra due anni. “Speriamo di aumentare rapidamente questo aspetto e pensiamo che la tecnologia potrebbe essere utile non solo contro COVID-19, ma anche contro future malattie pandemiche”, afferma Abella. E poiché il loro approccio può essere adottato per altri stati patologici, questo lavoro potrebbe un giorno consentire nuovi approcci per il monitoraggio delle malattie causate da nuovi agenti patogeni o consentire modi più sensibili per lo screening dei tumori.
Nonostante le sfide future, Johnson è entusiasta e desideroso di essere coinvolto negli sforzi in corso per combattere COVID-19.
Fonte: University of Pennsylvania
