Cazando virus: en busca de tests universales

En plena pandemia de SARS-CoV-2 se está hablando y escribiendo mucho acerca de las diferentes pruebas que se utilizan para detectar los virus en los laboratorios de diagnóstico: los tests rápidos, la PCR… Resumidamente hay dos tipos de pruebas, las basadas en amplificación de fragmentos del material genético del virus mediante PCR, o las que utilizan el reconocimiento de las partículas virales por anticuerpos. Cada una tiene sus aplicaciones, sus ventajas y sus limitaciones (aquí una explicación clara y detallada, y aquí una más orientada a profesionales). Algo que todas tienen en común es que van dirigidas a especies concretas, cada prueba es capaz de detectar uno o varios virus, pero sólo puede detectar aquello para lo que está diseñada. Sin embargo, el test ideal debería ser universal, capaz de detectar e identificar cualquier virus presente en una muestra.

 

Dr. Tedros Adhanom Ghebreyesus, Director General de la OMS. 16 de Marzo de 2020. Tenemos un mensaje muy sencillo para todos los países: Test, test, test.



Desde los inicios de la virología, ha habido muchos intentos de conseguir pruebas genéricas capaces de reconocer cualquier virus que pueda haber en una muestra clínica, pero no ha resultado fácil. En este momento la tecnología más prometedora es la metagenómica, la secuenciación de todo el material genético que se encuentre en la muestra. Teóricamente puede detectar cualquier microorganismo presente, incluso si se trata de un organismo previamente desconocido. No es una tecnología rápida, y aún es algo compleja, pero ya está a nuestro alcance (por ejemplo: Lázaro-Perona et al., 2020) y se está avanzando mucho y muy deprisa.

La alternativa a los métodos genéticos son los métodos biofísicos. Una propiedad importante de los virus es que todas las partículas de un determinado virus (viriones) son iguales. A diferencia de bacterias, hongos o parásitos, los viriones no crecen. Se producen y se ensamblan dentro de las células del hospedador, y salen ya formados. En los virus sin envuelta todos los viriones son iguales, están formados por el mismo número de componentes ensamblados en la misma disposición, y por tanto son idénticos entre sí, y diferentes a los de otros virus. En los virus con envuelta lipídica (que arrastran un fragmento de membrana celular al salir de la célula) puede haber una cierta heterogeneidad, pero aun así todos los viriones son muy, muy parecidos (…de acuerdo…en Biología las cosas nunca son tan sencillas y puede haber subpoblaciones diferentes, pero podemos considerar lo dicho una buena aproximación). Esto quiere decir que si pudiéramos medir las propiedades físicas de las partículas virales presentes en una muestra podríamos identificarlas porque cada especie viral tiene unas propiedades características. Propiedades físicas de los viriones pueden ser la forma, la masa, el tamaño o la rigidez (stiffness, grado de deformabilidad de las partículas). La forma y el tamaño de los viriones pueden estudiarse por microscopía electrónica, y la rigidez puede medirse mediante microscopía de fuerza atómica, pero no son tecnologías rápidas, ni permiten identificar especies de manera inequívoca. Por el contrario, las masas moleculares se miden mediante espectrometría de masas, que es un conjunto de técnicas de gran precisión que se utilizan de manera rutinaria para identificar moléculas. Aunque las masas de los virus se encuentran en un rango de 10 a 1000 MDa (megadaltons), que está muy por encima del rango de trabajo de la mayoría de los sistemas, técnicamente es posible alcanzar el rango de masas virales y, de hecho, se ha conseguido medir por espectrometría de masas un bacteriófago de 50 MDa (Keifer et al., 2016). Como comparación, los coronavirus tienen masas en torno a los 400 MDa. Sin duda, es una de las grandes apuestas del futuro.

Una tecnología alternativa que se está desarrollando en la actualidad son los sensores mecano-ópticos, sensores cuyas propiedades ópticas dependen de sus características físicas. Desde hace tres años, en el Hospital La Paz tenemos la suerte de colaborar, junto con nuestros compañeros del Hospital Doce de Octubre, en Viruscan, un proyecto europeo coordinado por Montserrat Calleja y Javier Tamayo, del Instituto de Micro y Nanotecnología del CSIC. En el proyecto participan grupos de Francia, Holanda, Alemania y Grecia, expertos en diferentes aspectos del sistema. El objetivo de Viruscan es construir un detector universal de virus que utilizará sensores mecano-ópticos. El principio es que cuando un virión cae sobre el sensor cambia sus propiedades mecánicas y eso se traslada a sus propiedades ópticas, la manera en la que el sensor transmite un rayo de luz. Este cambio depende muy fuertemente de la masa y la rigidez de la partícula que ha caído sobre el sensor, lo que teóricamente permite medirlas con gran precisión y compararlas con una base de datos de propiedades de los diferentes virus. Un sistema similar se utilizó con éxito para pesar células de Escherichia coli (Malvar et al., 2016), aunque el reto de Viruscan es mayor, porque las masas de las partículas son mucho menores. El primer prototipo debería estar listo a finales del próximo año, y aunque sabemos que aún será una tecnología embrionaria, estamos deseando tenerlo en el hospital y probarlo con muestras reales.

 

Imagen en falso color obtenida mediante microscopía de barrido de un sensor optomecánico como el que se utiliza en Viruscan. El disco tiene unas frecuencias de vibración características, cuando una partícula (en este caso una bacteria, Staphylococcus epidermidis, en azul) cae sobre el disco esas frecuencias se modifican en función de la masa y la rigidez de la partícula y esos cambios pueden medirse ópticamente y utilizarse para calcular las propiedades de la partícula. La célula de la imagen tiene un diámetro de 650 nm, los virus humanos tienen tamaños entre 20 y 400 nm. Imagen: Javier Tamayo.

 

La pandemia de SARS-CoV-2 impulsará el desarrollo de éstas y de otras propuestas, que probablemente serán tan fascinantes como Viruscan y tal vez muy diferentes. La tecnología actual es muy poderosa y la necesidad agudiza el ingenio, pronto tendremos nuevas herramientas.

 

REFERENCIAS

Keifer et al. Measurement of the accurate mass of a 50 MDa infectious virus. Rapid Commun Mass Spectrom. 2016, 15;30(17):1957-62. doi: 10.1002/rcm.7673.

Lázaro-Perona et al. Metagenomic Detection of Two Vientoviruses in a Human Sputum Sample. Viruses. 2020, 18;12(3). pii: E327. doi: 10.3390/v12030327.

Malvar et al. Mass and stiffness spectrometry of nanoparticles and whole intact bacteria by multimode nanomechanical resonators. Nat Commun. 2016; 7: 13452.  doi: 10.1038/ncomms13452

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Comentarios

Esclarecedir artículo. Hay que hacer pruebas masivas lo antes posible

Articulo muy interesante que nos abren un abanico de posibilidades en la investigación. Gracias por hacernos partícipes

Artículo muy interesante, claro y conciso. Muy útil para poder explicar a nuestros allegados, profanos en esta materia, parte de lo que se está haciendo en la lucha contra esta pandemia y cómo se está haciendo. Gracias por compartirlo y por poner ese granito final de esperanza.

Me parece muy interesante este artículo sobre las innovaciones que se pueden implementar para el apoyo en diagnóstico de nuevas enfermedades. Sobre el prototipo Viruscan me parece muy innovador, ya que su efectividad en detección aumentaría, pero en temas de costos y el tiempo que llevaría dar diagnóstico, ¿Sería un costo mas elevado y un tiempo menos tardío a comparación de pruebas de Elisa o PCR?

en los métodos biofísicos, qué tan exactas serian los resultados?
¿Hay alguna probabilidad de que dos virus sean físicamente iguales pero que tengan una variación genética?

A Ariana Gallegos: Puede haber pequeñas variantes genéticas que no se reflejen en las propiedades físicas, pero si te refieres a especies diferentes, es poco probable que tengan idénticas propiedades. En todo caso eso dependerá de la resolución de los equipos.

A Amairani Villalobos: Lo importante es la complejidad de preparación de las muestras, el tiempo de respuesta y los valores de sensibilidad y especificidad, precisión, etc. El objetivo es mejorar los sistemas existentes. Los precios se ajustan luego a las prestaciones que ofrece el equipo y a los precios de lo que ya hay en el mercado.

Es un articulo interesante, porque con el virus SARS-CoV-2, se esta innovando a realizar nuevas pruebas diagnostica.

Es muy interesante este articulo, por que conocemos las innovaciones de pruebas diagnosticas para poder detectar alguna enfermedad, debido a la pandemia de SARS-CoV-2.

Me parece de suma importancia conocer que con una sola prueba diagnóstica se pueda llegar a detectar más de un microorganismo para la detección de enfermedades, esto favorecería mucho en tiempo y forma de tratamiento. Muchas gracias por la información y que sigan las innovaciones.

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