Competenze dello IOR al servizio dell'innovazione per i test sul Covid-19

Immagine simulata del prototipo (fonte: SUPSI-DTI)
Immagine simulata del prototipo (fonte: SUPSI-DTI)
Immagine simulata del prototipo (fonte: SUPSI-DTI)
Immagine simulata del prototipo (fonte: SUPSI-DTI)

Servizio comunicazione istituzionale

13 Agosto 2020

L’analisi del virus SARS-CoV-2 implica procedure complesse e tempi di attesa importanti. Il progetto MicroCoVSens - che vede la collaborazione fra Politecnico federale di Losanna (EPFL), Dipartimento tecnologie innovative della SUPSI e Istituto oncologico di ricerca (IOR, affiliato all'USI) - mira alla realizzazione di un dispositivo portatile per il test del virus in tempo reale. Una soluzione concreta e di facile attuazione che consentirà di limitarne la diffusione attraverso diagnosi rapide ed efficaci attuabili anche da personale non specializzato. Il progetto è sostenuto dal Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica (FNS), nell’ambito del programma NRP 78 “Covid-19”, con un finanziamento di oltre 1 milione di franchi.

A seguito della crescente diffusione globale della pandemia Covid-19, il mondo scientifico si è mobilitato per produrre in tempi rapidi soluzioni che consentano di ridurre i contagi e contenere la propagazione del virus. Le attuali tecniche utilizzate per la diagnosi comprendono l'isolamento del virus in coltura cellulare, il rilevamento genomico attraverso l’amplificazione dell’acido ribonucleico (RNA) e i test sierologici (rilevamento di antigeni e anticorpi). In particolare, l'isolamento del virus è stato considerato dagli esperti lo standard ottimale per molto tempo; tuttavia, si tratta di una procedura lunga e complessa che si confronta con la difficoltà di far crescere e sviluppare determinate tipologie di virus. Inoltre, questa tecnica richiede l’impiego di personale qualificato e di strutture in grado di lavorare con virus altamente patogeni, oltre alla disponibilità di sofisticate e costose attrezzature di laboratorio. Le attuali procedure di analisi impongono un iter complesso che richiede diverse ore di lavoro, l’impiego di sostanze specifiche e di personale medico specializzato. Il limite principale è dettato dal fatto che tali metodologie non possono essere impiegate presso aeroporti, stazioni ferroviarie e porti, luoghi in cui eventuali test rapidi effettuati sulla popolazione viaggiante consentirebbero l’identificazione precoce di soggetti asintomatici e potenziali vettori di contagio, contribuendo alla riduzione del tasso di propagazione del virus.

 

MicroCoVSens: una soluzione innovativa

Alla luce della attuale situazione e della evoluzione legata alla pandemia globale, il Dipartimento tecnologie innovative della SUPSI, l'EPFL e lo IOR hanno unito le forze per sviluppare un progetto di ricerca congiunto che mira alla realizzazione di una soluzione diagnostica innovativa. Il progetto “Development of a microfluidic platform for real-time detection of SARS-CoV-2 virus based on multifunctional silica membrane biosensors” (MicroCoVSens) intende sviluppare un dispositivo portatile per il test in tempo reale del virus SARS-CoV-2 da campioni umani non trattati attraverso un consumo minimo di reagenti e senza requisiti di preparazione, utilizzabile in qualsiasi contesto anche da personale non specializzato. Il sistema lavora direttamente sul RNA virale attraverso un biosensore ultra-sensibile realizzato con superfici di rilevamento attive supportate da silice porosa, con l'obiettivo di rilevare in pochi minuti e in modo affidabile un minimo di 50 copie di virus in 1 mL di campioni. 

Il procedimento proposto si basa su un circuito microfluidico, che come prima cosa estrae RNA da un campione di saliva. L’RNA passa poi nella zona attiva del dispositivo (coating), che presenta delle sonde di RNA complementare: se presente, la sequenza target di RNA virale viene intrappolata ed identificata attraverso la misurazione della bioimpedenza della superficie. Il procedimento complessivo dovrebbe durare all’incirca 10 minuti. Si tratta di un approccio diagnostico innovativo e alternativo che intende superare i limiti delle attuali procedure di analisi, eliminando la necessità di impiegare personale biomedico e infrastrutture di laboratorio specializzate e riducendo i tempi di diagnosi attraverso una notevole semplificazione del procedimento.

 

Il progetto

Sostenuto dal Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica (FNS), nell’ambito del programma NRP 78 “Covid-19”, con un finanziamento complessivo di 1'098'174 franchi, il progetto prenderà il via nel mese di ottobre 2020, con l’obiettivo di sviluppare il dispositivo in due anni. Il gruppo di lavoro è formato da Sandrine Gerber (Professoressa titolare e Vicedirettrice dell’ISIC presso EPFL), Igor Stefanini (Ricercatore senior e responsabile dell’area scientifica “Sistemi microtecnici di precisione” dell’Istituto Sistemi e Elettronica Applicata ISEA della SUPSI), e Francesco Bertoni (Group leader e Vicedirettore all'Istituto oncologico di ricerca, e Professore titolare alla Facoltà di scienze biomediche dell'USI). Collaboreranno inoltre diversi ricercatori, dottorandi e studenti Master afferenti ai tre Istituti di ricerca.  

Sul ruolo dello IOR, il Prof. Francesco Bertoni spiega che “il nostro gruppo si occupa dello studio dei linfomi e dello sviluppo di nuovi medicamenti per i pazienti affetti da questi tumori, tuttavia alcune delle nostre competenze possono essere applicate in altri contesti. Pertanto, mi è sembrato opportuno poter contribuire per la parte di bioinfomatica e di biologia molecolare a un progetto che punta a sviluppare un nuovo dispositivo in grado di estrarre acidi nucleici da un campione biologico e allo stesso tempo di dimostrare la presenza del virus responsabile del COVID-19. Noi ci occuperemo della identificazione delle sequenze di RNA del SARS-CoV-2 sulle quali costruire le sonde e della costruzione della microfluidica per quanto riguarda gli aspetti biologici come l’ottimizzazione dell’estrazione di RNA ed i numerosi esperimenti per calibrare e validare il sistema.”

 

Possibile impatto e applicazioni future

Lo sviluppo di un dispositivo a basso costo per il rilevamento affidabile e in tempo reale degli agenti patogeni tramite sequenze target di RNA permetterà di limitare e contrastare la diffusione delle pandemie attuali e future, riducendo la diffusione di virus e consentendo una migliore e più efficace azione diagnostica. Il nuovo dispositivo consentirà inoltre di sviluppare ulteriori bio-sensori utilizzabili per identificare futuri virus in tempo reale, nonché di rilevare più agenti patogeni contemporaneamente nell’ambito delle procedure di diagnosi di altre malattie.

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