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Coronavírus no ar: onde está meu tricorder de Star Trek?

Texto de Suresh Dhaniyala, Ema Ravindran e Shantanu Sur, da Universidade Clarkson.


Novo coronavírus: pode se espalhar de pessoa para pessoa pelo ar | Imagem: cc NIAID/Flickr

Um número crescente de pesquisas mostra que o SARS-CoV-2, o vírus que causa a Covid-19, pode se espalhar de pessoa para pessoa pelo ar. Espaços internos com pouca ventilação em áreas onde o vírus é prevalente são particularmente perigosos.


No mundo fictício de “Jornada nas Estrelas”, profissionais de saúde pública e socorristas seriam capazes de determinar instantaneamente se um espaço tem uma concentração perigosa de vírus transportados pelo ar e qualquer outro patógeno, simplesmente acenando com um tricorder .


Essa tecnologia, imaginada há 60 anos, ainda está firmemente no reino da ficção. No entanto, dispositivos que podem detectar rapidamente agentes patogênicos específicos transportados pelo ar - incluindo o SARS-CoV-2 - estão em desenvolvimento em vários laboratórios de pesquisa.


O ar que respiramos


A detecção da presença de partículas de vírus transportadas pelo ar é complicada pela mistura de outras partículas no ar. A atmosfera inclui um grande número de partículas flutuantes, uma fração significativa das quais são biológicas. Normalmente, a cada respiração, você inala cerca de mil partículas biológicas .


Esses bioaerossóis incluem organismos vivos e mortos, incluindo vírus, bactérias, fungos, pólen e restos de plantas e animais. Os vírus são as menores dessas partículas. Seu tamanho varia de 10 a 300 nanômetros, ou milionésimos de milímetro.


Em contraste, os glóbulos vermelhos têm em média cerca de 6 a 8 mícrons, ou 6.000 a 8.000 nanômetros, de diâmetro. As bactérias variam de 1 a 4 mícrons e os fungos de 5 a 10 mícrons. Os restos de plantas e animais são geralmente maiores que 10 mícrons.


A maioria dessas partículas biológicas não é uma preocupação para a saúde, porque a maioria é de partes de plantas e animais, incluindo humanos. No entanto, é necessário apenas um pequeno número de micróbios perigosos para produzir uma pandemia.


Micróbios problemáticos


Para entender a ameaça potencial dos bioaerossóis, é importante identificar a pequena fração de micróbios problemáticos ou patogênicos entre todos os bioaerossóis presentes.


A identificação do bioaerossol começa com a captura de partículas biológicas do ar, normalmente coletando partículas em um filtro, em um frasco de líquido ou em hidrogéis.


Frequentemente, os pesquisadores transferem os bioaerossóis coletados para um meio de cultura projetado para suportar o crescimento de micróbios. A forma como os micróbios respondem a um meio de cultura específico - o tamanho, a forma, a cor e a taxa de crescimento da colônia de micróbios - pode indicar as espécies de micróbios.


Esse processo pode levar de vários dias a semanas e geralmente é ineficaz. Acontece que os cientistas só conseguem identificar cerca de 1% dos micróbios aerotransportados com essa abordagem.


Cada vez mais, os cientistas estão confiando em análises baseadas em genes para mapear vírus e outros microorganismos coletados em amostras de ar.


Uma técnica popular para análise baseada em genes é a reação em cadeia da polimerase (PCR), que usa uma reação enzimática para fazer muitas cópias de um gene específico ou porção de um gene para que a sequência genética - DNA ou RNA - possa ser detectada em uma amostra .


Um teste de PCR pode ser projetado para detectar sequências de genes específicos de um microrganismo, de modo que a detecção da sequência seja igual à identificação do microrganismo.


Essa técnica é atualmente o padrão-ouro para detectar a presença de SARS-CoV-2 em amostras de swabs nasais. Os métodos baseados em PCR são muito precisos na identificação de patógenos .


A tecnologia de sequenciamento de ponta torna possível sequenciar rapidamente os genomas completos dos organismos. Usando essas técnicas, os pesquisadores agora têm a capacidade de compreender toda a população de microrganismos - sua diversidade e abundância - no ar.


Detecção rápida


Apesar desses avanços, ainda há muito trabalho a ser feito para conseguir identificar instantaneamente a presença de patógenos no ar.


As técnicas atuais de identificação de micróbios são caras, requerem equipamento especializado e envolvem longas etapas de processamento. Elas também não conseguem detectar uma espécie a partir de pequenas quantidades de material genético.


Avanços recentes, no entanto, oferecem alguma promessa para o desenvolvimento de sensores que podem fornecer informações rápidas sobre bioaerossóis .


Uma abordagem usa o florescimento induzido por laser . Nesta técnica, as partículas são iluminadas com luz de uma cor ou comprimento de onda específico, e apenas as partículas biológicas respondem por fluorescência ou emitindo luz.


Essa técnica pode ser usada para identificar e quantificar a presença de partículas biológicas no ar em tempo real, mas não diferencia entre um micróbio seguro e um nocivo.


Outro avanço é o uso de espectrometria de massa para detecção de bioaerossol . Nessa técnica, uma única partícula de bioaerossol é explodida com um laser e os fragmentos moleculares são imediatamente analisados ​​para determinar a composição molecular das partículas.


Os pesquisadores também estão usando sensores baseados em espectroscopia Raman. A espectroscopia Raman pode identificar a composição molecular da luz refletida nas amostras sem destruir essas amostras.


Grande desafio em um pequeno pacote


Essas técnicas estão promovendo a detecção e identificação instantâneas de bactérias e fungos transportados pelo ar, mas são menos eficientes na detecção de vírus , incluindo o SARS-CoV-2.


Isso ocorre principalmente porque os vírus são muito pequenos, o que torna difícil coletá-los com amostradores de ar e realizar análises de PCR, devido à pequena quantidade de DNA / RNA.


Os pesquisadores estão trabalhando para resolver as limitações da detecção de vírus transportados pelo ar. Em nosso laboratório na Universidade Clarkson, desenvolvemos um sensor e coletor de bioaerossol de baixo custo para amostragem de bioaerossol em larga escala.


Este amostrador operado por bateria usa uma fonte de alta voltagem de tamanho micro para ionizar vírus, bactérias e fungos transportados pelo ar e coletá-los em uma superfície. A ionização dá às partículas biológicas uma carga elétrica. Dar à superfície de coleta a carga oposta faz com que as partículas grudem na superfície.


As amostras de nosso coletor podem ser analisadas com novos sequenciadores portáteis de DNA / RNA , que permitem a detecção de bioaerossol quase em tempo real com equipamento portátil de baixo custo.


Onde está meu tricorder?


Esses avanços poderão em breve tornar possível detectar um patógeno conhecido, como o SARS-CoV-2, com dispositivos portáteis. Mas eles ainda estarão longe de ser um tricorder.


Por um lado, os sensores requerem níveis relativamente altos de um patógeno para detecção. Ser capaz de identificar um vírus como o SARS-CoV-2 em níveis mais baixos, suficientes para a transmissão de doenças, exigirá o desenvolvimento de sensores com limites de detecção mais baixos.


Além disso, esses sensores só podem ser adaptados para detectar patógenos específicos, não fazer a varredura para todos os patógenos possíveis.


Embora o equivalente ao tricorder em “Jornadas nas Estrelas” não esteja chegando, a necessidade de tal dispositivo nunca foi tão grande.


Agora é um momento oportuno para o surgimento de novas técnicas em sensores, aproveitando os avanços dramáticos que estão sendo feitos nas áreas de eletrônica, computação e bioinformática. Quando o próximo novo patógeno surgir, seria bom ter um tricorder à mão.


☛ Esse artigo foi republicado do site The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o original em inglês.


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