Giáo sư vật lý, hóa học và khoa học vật lệu và kỹ thuật tại trường Penn State – Mauricio Terones, một trong những tác giả liên hệ của nghiên cứu này phát biểu: “Việc sớm phát hiện cơ thể đã bị nhiễm virus trước khi xuất hiện các triệu chứng, hoặc phát hiện virus ngay từ các mẫu ở thực địa là rất khó, bởi vì nồng độ của virus có thể rất thấp – thường là dưới ngưỡng của các phương pháp phát hiện hiện nay”.

Hình ảnh quét hiển vi điện tử (tỷ lệ 200nm) của virus cúm gia cầm H5N2 (màu tím) bị mắc kẹt bên trong các hàng ống nano (Ảnh: Đại học Penn State)

“Việc phát hiện sớm rất quan trọng, vì virus có thể bắt đầu lan rộng trước khi chúng ta có thể phát hiện ra nó. Thiết bị mới được phát triển cho phép chúng ta bẫy và tập trung các virus trong các mẫu vô cùng loãng và chọn lọc theo kích thước của chúng – nhỏ hơn so với tế bào của con người và vi khuẩn, nhưng lớn hơn hầu hết các loại protein và các đại phân tử khác. Thiết bị này sẽ làm tăng khả năng phát hiện một lượng virus rất nhỏ tới hơn 100 lần.”

Nhóm nghiên cứu đã phát triển và kiểm tra thiết bị phát hiện virus cầm tay rất nhỏ gọn nhưng lại rất nhạy bằng cách bẫy và tập trung các virus trong 1 hàng ống nano carbon. Mẫu có nồng độ loãng thu được từ bệnh nhân hoặc môi trường sẽ được chuyển qua một bộ lọc để loại bỏ các phần tử lớn chẳng hạn như vi khuẩn và các tế bào của con người, sau đó sẽ đi qua một hàng ống nano carbon trong thiết bị. Các virus sẽ bị mắc kẹt và tập trung lại trong các ống nano tới khi đạt nồng độ đủ lớn để có thể sử dụng, trong khi các phần tử nhỏ hơn đi xuyên qua và được loại bỏ. Sau đó, virus tập trung lại ở bên trong thiết bị có thể được chuyển qua các tấm xét nghiệm để xác định, bao gồm cả chẩn đoán phân tử bằng phản ứng chuỗi polymeraze (PCR), phương pháp miễn dịch, phân lập vi rút, và trình tự gen.

Hình ảnh minh họa các ống nano carbon xếp thành hàng để làm giàu virus dựa trên kích thước

Terones cho biết “Bởi vì thiết bị này phân lập và tập trung virus hoàn toàn dựa trên kích thước, nên chúng ta có thể bắt được các virus trong khi không biết gì về đặc tính sinh học – không cần phải biết về bất cứ kháng thể hoặc nhãn phân tử nào khác. Sau khi đã bắt giữ và tập trung các virus, chúng ta có thể sử dụng các kỹ thuật khác như trình tự của toàn bộ gen để mô tả các đặc điểm của nó”.

Theo ông Si Yang Zheng – phó giáo sư về kỹ thuật y sinh tại Đại học Penn State, và cũng là tác giả liên hệ còn lại của nghiên cứu này – phát biểu: “Hầu hết các đại dịch chết người do virus gây trong 2 thập kỷ vừa qua đều là do các loại virus mới nổi. Công nghệ làm giàu virus dựa trên kích thước này có thể có hiệu quả đặc biệt trong việc xác định các loại virus mới nổi, và phát hiện các loại virus mới không có sẵn các kháng thể hoặc các thông tin về trình tự gen. Công nghệ này không chỉ làm giàu virus tới ít nhất 100 lần, mà nó còn loại bỏ các ô nhiễm từ vật chủ và môi trường, và cho phép xác định virus trực tiếp bằng các trình tự tiếp theo ngay khi thu thập mẫu trên hiện trường mà không cần phải nuôi cấy virus”.

Các loại virus như cúm, HIV/AIDS, Ebola và Zika có thể bùng phát đột ngột không dự đoán được và dẫn tới các thảm họa với sức khỏe cộng đồng. Các kỹ thuật sẵn có hiện nay để phân lập và xác định các loại virus rất chậm, tốn kém và sử dụng các thiết bị và thuốc thử rất đắt tiền, cồng kềnh và đòi hỏi được bảo quản đặc biệt. Ngoài ra, rất nhiều dịch bệnh gần đây đều là do các loại virus mới xuất hiện gây ra, mà vẫn chưa xác định được cách để phân lập có chọn lọc để xác định và mô tả các đặc điểm của chúng.

Khoảng cách giữa các ống phù hợp với kích thước của virus – thanh tỷ lệ từ 10µm tới 200nm.

Ông Zheng cho biết, nhóm nghiên cứu đã “phát triển kỹ thuật trồng 1 rừng các ống nano và chúng ta có thể kiểm soát khoảng cách giữa các thân ống. Khoảng cách của các ống bên trong có thể dao động từ 17nm tới hơn 300nm để chọn lọc các loại virus cần giữ lại. Các tính chất độc đáo của rừng ống nano-carbon này cho phép tích hợp nó vào trong một thiết bị siêu nhỏ mạnh mẽ, có thể thay đổi kích thước và di chuyển được. Thiết bị này có thể điều chỉnh để sử dụng tại thực địa mà không cần đến các thiết bị lưu trữ thuốc thử chuyên biệt và cồng kềnh.”

Các nhà nghiên cứu đã thẩm định khả năng bắt giữ các virus của thiết bị mới này trên các mẫu pha loãng theo nồng độ đã biết của các loại virus đã được xác định từ trước đó, cũng như các mẫu lấy tại thực địa của các loại virus mới xuất hiện và chưa được biết đến.

Yin Ting Yeh – nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Penn State, và cũng là tác giả chính của nghiên cứu này – phát biểu: “Chúng tôi đã phát triển một thiết bị di động để làm giàu và phân lập các loại virus dựa trên kích thước vật lý của chúng. Phương pháp tiếp cận dựa trên kích thước có thể điều chỉnh được này cho phép làm giàu virus trực tiếp từ các mẫu trên thực địa một cách nhanh chóng, mà không cần sử dụng bất cứ kháng thể nào. Thiết bị này cho phép phát hiện sớm các bệnh mới xuất hiện và phát triển các loại vắc-xin sớm hơn nhiều khi dịch bệnh nổ ra.”