Teste Avançado de Patógenos na Estação Espacial Aprimora Monitoramento de Águas Residuais

Após os panos usados para limpar a estação espacial chegarem à Terra, eles foram enxaguados no pote de água visto aqui com tampa laranja para remover micróbios. Esse líquido foi então concentrado neste frasco (inseto) para teste pelo sistema CP Select da InnovaPrep. (Imagem: NASA)

O rastreamento da propagação da COVID-19 através das comunidades forneceu dados essenciais para autoridades de saúde pública e indivíduos tomarem decisões informadas durante a pandemia. Um método que se mostrou útil foi coletar, concentrar e testar águas residuais municipais para a presença do vírus que causou a doença. À medida que esses testes aumentaram, uma tecnologia desenvolvida para a NASA para identificar patógenos dentro de naves espaciais economizou tempo e produziu resultados confiáveis na Terra.

A astronauta da NASA Megan McArthur coleta amostras microbianas de superfícies dentro da estação espacial para estudar os micróbios associados à habitação fechada e prever aqueles que podem representar ameaça à saúde da tripulação. (Imagem: NASA)

Vários contratos de Pesquisa de Inovação em Pequenas Empresas (SBIR) concedidos alguns anos antes ajudaram a InnovaPrep LLC de Drexel, MO, a melhorar seu processo de bioconcentração existente e aplicá-lo a testes automatizados para vírus, bactérias e outros patógenos no ar, na água e em superfícies na Estação Espacial Internacional. Além de usar um novo material de filtro, melhorar o processo e modificá-lo para o espaço, a empresa desenvolveu novas etapas de fabricação para semi-automatizar processos de produção. Antes do trabalho SBIR, a empresa construía manualmente o filtro descartável, chamado pipeta, produzindo cerca de 200 por semana. Agora a produção é de 12.000 por semana com um sistema que pode escalar facilmente para atender à demanda aumentada.

A produção aprimorada chegou bem a tempo. A InnovaPrep pôde facilmente atender aos pedidos de departamentos de saúde pública, laboratórios comerciais e pesquisadores à medida que os esforços de monitoramento da COVID-19 foram implementados. Andy Page, CTO da InnovaPrep, credita à NASA a capacidade da empresa de avançar suas linhas de produtos AirPrep e FluidPrep.

"Tivemos muita interação positiva com cientistas da NASA que forneceram muitos insights valiosos. Essa colaboração é super valiosa," disse ele. "O programa SBIR permite que você descubra coisas que não conseguiria descobrir facilmente sem esse financiamento."

Patógenos, incluindo algumas bactérias e vírus, podem se tornar mais prejudiciais em gravidade zero, então manter uma nave espacial segura para astronautas requer vigilância. Mas a coleta e teste de amostras são tarefas que consomem tempo. O Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no sul da Califórnia liderou o esforço para torná-lo mais eficiente usando automação, com Kasthuri "Venkat" Venkateswaran, Cientista Sênior de Pesquisa no JPL, trabalhando com a InnovaPrep para modificar sua tecnologia de concentração de amostras para o espaço.

Concentrar micróbios em galões de água para algumas onças para teste pode ser uma tarefa demorada. Mas o sistema de filtração especializado da InnovaPrep chamado CP Select, que se beneficiou da expertise da NASA, pode fazer exatamente isso rapidamente na Terra. (Imagem: InnovaPrep LLC)

Teste PCR para Resultados Rápidos

Uma opção para permitir resultados mais rápidos é um teste de reação em cadeia da polimerase (PCR). O PCR amplifica rapidamente pequenos segmentos de material genético — DNA ou RNA — fazendo muitas cópias. Isso cria uma amostra maior para teste genético, facilitando a identificação do tipo de bactéria ou vírus presente. Alvejar fragmentos moleculares específicos de vírus ou bactérias é preferível no espaço em vez de cultivar uma cultura viva, um processo frequentemente usado na Terra.

"Se você está cultivando micróbios no espaço, isso significa que até mesmo uma célula se tornará bilhões de células. Uma célula não fará mal à saúde humana, mas cultivar essa única célula em um sistema fechado é perigoso," disse Venkateswaran. Micróbios minúsculos são difíceis de encontrar, então a NASA fez algumas pesquisas para descobrir o que vivia na estação espacial.

Um estudo exigiu que astronautas limpassem superfícies com panos estéreis antes de enviá-los à Terra. Uma vez no laboratório, os panos foram enxaguados em grande quantidade de água, o líquido resultante foi filtrado e os micróbios foram concentrados em uma pequena quantidade de líquido para teste. A tecnologia SBIR destinava-se a concentrar vírus e bactérias, reduzindo o tempo e custo necessários para obter resultados.

A InnovaPrep usou sua estrutura de pipeta anterior para o trabalho SBIR, mas os exigentes requisitos de filtração da NASA compeliram a empresa a procurar um novo material. Testes mostraram que a melhor opção era um material de fibra oca feito do que parece 72 minúsculos canudos, que compõem parte do filtro dentro da pipeta. Um filtro melhor significa que mais células virais e bacterianas são capturadas por amostra.

A empresa então automatizou a aplicação da cola que mantém os filtros no lugar. Isso melhorou o desempenho e a confiabilidade do dispositivo, servindo como primeiro passo para uma produção aprimorada.

A limpeza do hardware do rover Perseverance é uma etapa na estratégia de Proteção Planetária da NASA para limitar o número de micróbios da Terra indo para Marte. A sala limpa do Laboratório de Propulsão a Jato, um dos lugares mais limpos do planeta, desenvolveu procedimentos usando tecnologia da InnovaPrep para verificar se há micróbios deixados na superfície antes do voo. (Imagem: NASA)

Os requisitos da NASA também levaram a InnovaPrep a avançar a qualidade de um líquido espumante que remove os micróbios presos do filtro.

Para concentrar uma amostra em preparação para análise — incluindo teste PCR — uma pipeta contendo o filtro captura moléculas e micróbios suspensos em uma amostra de água. A próxima etapa, chamada eluição de espuma úmida, empurra o líquido espumante para a pipeta, através da superfície interna do filtro para recuperar os organismos ou contaminantes de uma amostra líquida. Isso os empurra para baixo em um frasco, pronto para teste.

A aplicação da NASA exigiu modificações no processo para funcionar no espaço, junto com uma vida útil mais longa para o fluido de eluição. As latas de líquido foram modificadas para dispensar o líquido em microgravidade e ficar por um ano ou mais antes de serem usadas. Com algum trabalho, a InnovaPrep atendeu a todos os requisitos da NASA.

O sistema de bioconcentração criado para gravidade zero ainda não foi usado na estação espacial, mas empresas na Terra estão economizando tempo e dinheiro com as atualizações de tecnologia. Uma vantagem do equipamento de monitoramento de água e ar que a InnovaPrep oferece é que é simples de usar. Diferente de cultivar culturas em laboratório, nenhum treinamento especial é necessário.

Aplicações Além da Pandemia

Não é apenas o rastreamento de uma pandemia que requer a concentração e teste de patógenos. Instalações recreativas usam tecnologia InnovaPrep para monitorar a qualidade da água em piscinas. Hospitais usam para rastrear espaços internos para mantê-los o mais estéreis possível. Água de torres de resfriamento e sistemas municipais de água é testada regularmente para bactérias legionella, que podem causar uma forma grave de pneumonia.

Agricultores testam água de irrigação para patógenos, e fabricantes de alimentos monitoram produtos e enxágues de equipamentos para eliminar doenças transmitidas por alimentos. O concentrador InnovaPrep FluidPrep agora usado por empresas é tão eficiente que o JPL desenvolveu uma série de protocolos de sala limpa usando o dispositivo comercial.

Quando a NASA envia hardware para outros corpos planetários, tecnólogos tentam garantir que esteja o mais limpo possível. A intenção é remover caronas microscópicas da Terra para limitar oportunidades de contaminação. Funcionários da sala limpa usam um pedaço quadrado de pano estéril de três pés para limpar grandes superfícies, removendo o máximo possível de biomatéria.

"Se você aumenta a área de superfície para coletar, obviamente aumenta o líquido que usa. E você tem que fazer filtração complicada," disse Venkateswaran. "Todo o material deve ser livre de DNA, então pedimos à InnovaPrep para criar um produto mais estéril do que eles tinham. Eles desenvolveram a tecnologia para garantir que seus produtos estão livres de biomoléculas."

A pesquisa publicada verificando a eficácia dos procedimentos de sala limpa ajudou a InnovaPrep a adicionar novos clientes que exigem ambiente estéril. Mas a maior base de clientes da InnovaPrep ainda é a vigilância de águas residuais.

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