Maskenprototyp kann COVID-19-Infektion erkennen

Ingenieure haben eine neuartige Gesichtsmaske entwickelt, die den Träger innerhalb von etwa 90 Minuten mit COVID-19 diagnostizieren kann. Die Masken sind mit winzigen Einwegsensoren ausgestattet, die in andere Gesichtsmasken eingesetzt werden können und auch zur Erkennung anderer Viren angepasst werden könnten.

Die Sensoren basieren auf einer gefriergetrockneten Zellmaschinerie, die das Forschungsteam zuvor für den Einsatz in der Papierdiagnostik für Viren wie Ebola und Zika entwickelt hat. In einer neuen Studie zeigte das Team, dass die Sensoren nicht nur in Gesichtsmasken, sondern auch in Kleidung wie Laborkittel integriert werden können, was möglicherweise eine neue Möglichkeit bietet, die Exposition von Gesundheitspersonal gegenüber einer Vielzahl von Krankheitserregern oder anderen Bedrohungen zu überwachen.

Das Team demonstrierte die Fähigkeit, eine breite Palette von Sensoren der synthetischen Biologie zu gefriertrocknen, um virale oder bakterielle Nukleinsäuren sowie toxische Chemikalien, einschließlich Nervengifte, nachzuweisen. Die Sensoren der Gesichtsmaske sind so konzipiert, dass sie vom Träger aktiviert werden können, wenn er bereit ist, den Test durchzuführen, und die Ergebnisse aus Gründen der Privatsphäre des Benutzers nur auf der Innenseite der Maske angezeigt werden.

Die Proteine ​​und Nukleinsäuren, die benötigt werden, um synthetische Gennetzwerke zu schaffen, die auf bestimmte Zielmoleküle reagieren, könnten in Papier eingebettet werden. Ein weiteres zellfreies Sensorsystem namens SHERLOCK basiert auf CRISPR-Enzymen und ermöglicht den hochempfindlichen Nachweis von Nukleinsäuren.

Diese zellfreien Schaltungskomponenten werden gefriergetrocknet und bleiben bis zur Rehydrierung viele Monate stabil. Wenn sie durch Wasser aktiviert werden, können sie mit ihrem Zielmolekül, das jede RNA- oder DNA-Sequenz sowie andere Arten von Molekülen sein kann, interagieren und ein Signal wie eine Farbänderung erzeugen. Die Forscher begannen damit, diese Sensoren in Textilien einzubauen, mit dem Ziel, einen Laborkittel für medizinisches Personal oder andere Personen zu schaffen, die potenziell Krankheitserregern ausgesetzt sind.

Zunächst führte das Team einen Screen von Hunderten verschiedener Stoffarten durch, von Baumwolle und Polyester bis hin zu Wolle und Seide, um herauszufinden, welche mit dieser Art von Sensor kompatibel sein könnten. Das Beste war eine Kombination aus Polyester und anderen synthetischen Fasern. Um tragbare Sensoren herzustellen, haben die Forscher ihre gefriergetrockneten Komponenten in einen kleinen Abschnitt dieses synthetischen Gewebes eingebettet, wo sie von einem Ring aus Silikonelastomer umgeben sind. Diese Kompartimentierung verhindert, dass die Probe verdunstet oder vom Sensor wegdiffundiert. Um die Technologie zu demonstrieren, entwickelten die Forscher eine Jacke, in die etwa 30 dieser Sensoren eingebettet waren.

Sie zeigten, dass ein kleiner Flüssigkeitsspritzer mit Viruspartikeln, der den Kontakt mit einem infizierten Patienten nachahmt, die gefriergetrockneten Zellbestandteile hydratisieren und den Sensor aktivieren kann. Die Sensoren können so ausgelegt sein, dass sie verschiedene Arten von Signalen erzeugen, darunter eine Farbänderung, die mit bloßem Auge gesehen werden kann, oder ein Fluoreszenz- oder Lumineszenzsignal, das mit einem Handspektrometer gelesen werden kann. Sie entwarfen auch ein tragbares Spektrometer, das in den Stoff integriert werden könnte, wo es die Ergebnisse ablesen und drahtlos an ein mobiles Gerät übertragen kann.

Zur Herstellung der diagnostischen Gesichtsmaske bettete das Team gefriergetrocknete SHERLOCK-Sensoren in eine Papiermaske ein. Wie bei den tragbaren Sensoren sind die gefriergetrockneten Komponenten von Silikonelastomer umgeben. In diesem Fall werden die Sensoren auf der Innenseite der Maske platziert, damit sie Viruspartikel im Atem der Person erkennen können, die die Maske trägt.

Die Maske enthält auch ein kleines Wasserreservoir, das auf Knopfdruck freigesetzt wird, wenn der Träger bereit ist, den Test durchzuführen. Dadurch werden die gefriergetrockneten Komponenten des SARS-CoV-2-Sensors hydratisiert, der angesammelte Atemtröpfchen auf der Innenseite der Maske analysiert und innerhalb von 90 Minuten ein Ergebnis liefert.

Die Prototypen haben Sensoren auf der Innenseite der Maske, um den Status eines Benutzers zu erkennen, sowie Sensoren, die an der Außenseite von Kleidungsstücken angebracht sind, um die Exposition durch die Umgebung zu erkennen. Die Forscher können auch Sensoren für andere Krankheitserreger wie Influenza, Ebola und Zika oder Sensoren, die sie zum Nachweis von Organophosphat-Nervengiften entwickelt haben, austauschen.