Forskare från Michigan State University och University of British Columbia har uppfunnit ett system som snabbt och billigt kan upptäcka luftburna virus med samma teknik som möjliggör höghastighetståg.
Teamet visade att en teknik som kallas magnetisk levitation kan användas för att enkelt samla in och koncentrera virus från luften för att förhindra framtida utbrott av luftvägssjukdomar. Forskarna publicerade sitt arbete i tidskriften ACS Nano .
"Det är mycket viktigt att ha realtidshantering och realtidsprognoser på plats för virus", säger Morteza Mahmoudi, docent vid Institutionen för radiologi och Precision Health Program vid MSU. "Det vi har utvecklat är ett system som kan hjälpa oss och andra intressenter att få mer information om olika typer av virus i luften vi andas."
"Detta kan hjälpa till att identifiera att en miljö är förorenad innan en pandemi inträffar", säger Sepideh Pakpour, en biträdande professor i teknik som ledde forskargruppen vid UBC Okanagan Campus.
Förutom att fungera som ett tidig varningssystem kan teamets nya teknik också hjälpa hälsovårdstjänstemän och epidemiologer att bättre spåra och spåra exponering för virus i offentliga miljöer.
Pakpour och Mahmoudi startade först detta projekt med att tillämpa magnetisk levitation, eller maglev, på luftvägsvirus 2018 med stöd från Walsh Foundation och New Frontiers in Research Fund. Nästan hälften av de nedre luftvägsinfektionerna orsakas av virus som människor andas in när de är inomhus, skrev forskarna i sin rapport.
Men när coronavirus-pandemin började och när de fick veta att den orsakades av ett luftburet virus, visste de att de var tvungna att fördubbla sina ansträngningar. Teamet använde en inaktiverad version av coronaviruset som är ansvarigt för covid-19 i sin proof-of-concept-rapport, tillsammans med H1N1-influensa och ett virus som infekterar bakterier som kallas bakteriofag MS2.
Systemet samlar först in luftprover och injicerar sedan provet i en vätska där maglev separerar virus från andra partiklar. Det isolerade och renade virala innehållet förs sedan vidare till andra standardanalytiska tekniker för identifiering inom några minuter. Tillvägagångssättet är så enkelt att det kan användas av icke-experter i en mängd olika miljöer, såsom kliniker och flygplatser, sa forskarna.
Teamet tar de första stegen mot att kommersialisera sin teknik samtidigt som de arbetar för att förbättra den.
Även om nedströmstekniker kan identifiera vilka virus som finns i ett prov, är ett av teamets framtida mål att förfina maglev-steget för att skilja mellan olika virus på egen hand. Forskarna arbetar också med att öka sin tekniks känslighet och upptäcka virus i luft i lägre koncentrationer.
Fortfarande är teamet entusiastiska över vad de kunde åstadkomma i sitt inledande arbete och över vad det kan göra det möjligt för andra forskare att göra.
"Att använda maglev för att upptäcka sjukdomar och rena virus är helt nytt, och det kan öppna upp applikationer inom många olika områden," sa Mahmoudi. "Detta öppnar en fundamentalt ny riktning inom analytisk biokemi."
Magnetisk levitation, som namnet antyder, använder magneter för att motverka gravitationens nedåtgående dragning. Maglev-tåg svävar ovanför sina spår och kan, utan den kontaktfriktionen, uppnå hastigheter uppemot 200 miles per timme. Medan maglevtåg har funnits i decennier, är användningen av magnetisk levitation inom biologin nyare.
Till exempel var det först under det senaste decenniet som Stanford-forskare visade att levande celler kunde magnetiskt sväva i flytande blandningar eller lösningar. De använde sedan tekniken för att visa att olika celltyper – jäst, bakterier, friska mänskliga celler och cancerceller – kunde separeras av sin densitet.
På senare tid har Pakpour och Mahmoudi samarbetat för att visa att maglev kan appliceras på proteiner i blodplasma för att leta efter indikatorer på opioidanvändning och multipel skleros. Det övertygade dem om att maglev också borde fungera med virus.
"Om du tittar på strukturen hos virus, är de mestadels proteiner, och vi visste att vi kunde sväva proteiner," sa Pakpour. "Så jag visste att det här borde fungera, men jag blev ändå förvånad när det gjorde det."
"Det var väldigt utmanande, speciellt i början," sa Mahmoudi. "Konventionell maglev är inte kapabel att samla in submikronvirus, men vi gjorde flera modifieringar och kunde finjustera systemet."
En av utmaningarna var till exempel att vätskorna som används i konventionell maglev kunde skada eller förstöra virus. Teamet var tvungen att hitta nya lösningar som hade önskvärda magnetiska egenskaper och som var kompatibla med deras mål.
Mer information: Sepideh Pakpour et al, Magnetic Levitation System isolerar och renar luftburna virus, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c01677
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av Michigan State University
