Geavanceerde geramtesten op ruimtestation verbeteren afvalwaterbewaking

Nadat de doeken die gebruikt werden om het ruimtestation af te vegen op aarde arriverden, werden ze uitgepluisd in het waterpotje dat hier met een oranje deksel te zien is om microben te verwijderen. Die vloeistof werd vervolgens geconcentreerd in deze flesje (inzet) voor testen door het CP Select-systeem van InnovaPrep. (Afbeelding: NASA)

Het volgen van de verspreiding van COVID-19 door gemeenschappen leverde essentiële data voor volksgezondheidsfunctionarissen en individuen om geïnformeerde beslissingen te nemen tijdens de pandemie. Een methode die nuttig bleek, was het verzamelen, concentreren en testen van gemeentelijk afvalwater op de aanwezigheid van het virus dat de ziekte veroorzaakte. Toen deze testen opgang kregen, bespaarde een technologie die voor NASA was ontwikkeld om pathogenen in ruimtevaartuigen te identificeren, tijd en leverde betrouwbare resultaten op aarde.

NASA-astronaut Megan McArthur verzamelt microbemonsters van oppervlakken binnenin het ruimtestation om de microben geassocieerd met gesloten bewoning te bestuderen en die te voorspellen die een dreiging kunnen vormen voor de gezondheid van de bemanning. (Afbeelding: NASA)

Verschillende Small Business Innovation Research (SBIR)-contracten die een paar jaar eerder werden toegewezen, hielpen InnovaPrep LLC uit Drexel, MO, om het bestaande bioconcentratieproces te verbeteren en toe te passen op geautomatiseerde testen voor virussen, bacteriën en andere pathogenen in de lucht, water en op oppervlakken in het Internationale Ruimtestation. Naast het gebruik van een nieuw filtermateriaal, het verbeteren van het proces en het aanpassen ervan voor de ruimte, ontwikkelde het bedrijf nieuwe fabricagestappen om de productieprocessen te semi-automatiseren. Voor het SBIR-werk bouwde het bedrijf de wegwerpfilter, een pipet genaamd, met de hand, met een productie van ongeveer 200 per week. Nu is de output 12.000 per week met een systeem dat gemakkelijk kan opschalen om aan verhoogde vraag te voldoen.

De verbeterde productie kwam net op tijd. InnovaPrep kon gemakkelijk de bestellingen invullen van volksgezondheidsdiensten, commerciële laboratoria en onderzoekers toen COVID-19-bewakingsinspanningen werden opgezet. Andy Page, CTO bij InnovaPrep, schrijft NASA het verdienste toe van het vermogen van het bedrijf om de AirPrep- en FluidPrep-productlijnen te verbeteren.

"We hadden veel goede interactie met NASA-wetenschappers die veel waardevolle inzichten gaven. Die samenwerking is super-waardevol," zei hij. "Het SBIR-programma stelt je in staat om dingen te ontdekken die je niet gemakkelijk zou ontdekken zonder die financiering."

Pathogenen, waaronder sommige bacteriën en virussen, kunnen schadelijker worden in zwaartekrachtloosheid, dus een ruimtevaartuig veilig houden voor astronauten vereist waakzaamheid. Maar monsterverzameling en testen zijn tijdrovende taken. NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuidelijk Californië leidde de inspanning om het efficiënter te maken met automatisering, met Kasthuri "Venkat" Venkateswaran, Senior Research Scientist bij JPL, die samenwerkte met InnovaPrep om de monsterconcentratietechnologie voor de ruimte aan te passen.

Het concentreren van microben in gallons water tot een paar ons voor testen kon een tijdrovende taak zijn. Maar het gespecialiseerde InnovaPrep-filtratiesysteem genaamd CP Select, dat baat had bij NASA-expertise, kan dat snel op aarde doen. (Afbeelding: InnovaPrep LLC)

Eén optie om snellere resultaten te krijgen is een polymeraseketenreactie (PCR)-test. PCR versterkt snel kleine segmenten genetisch materiaal — DNA of RNA — door er veel kopieën van te maken. Dit creëert een groter monster voor genetische testen, wat het makkelijker maakt om het type bacterie of virus te identificeren. Het richten op specifieke moleculaire fragmenten van virussen of bacteriën is in de ruimte te verkiezen boven het kweken van een live cultuur, een proces dat frequent op aarde wordt gebruikt.

"Als u microben in de ruimte kweekt, betekent dat dat zelfs één cel miljarden cellen wordt. Één cel doet geen schade aan de menselijke gezondheid, maar het kweken van die ene cel in een gesloten systeem is gevaarlijk," zei Venkateswaran. Kleine microben zijn moeilijk te vinden, dus NASA deed onderzoek om te ontdekken wat er op het ruimtestation leefde.

Eén studie vereiste dat astronauten oppervlakken afvingen met steriele doeken voordat ze naar aarde werden gestuurd. Eenmaal in het lab, werden de doeken uitgepluisd in een grote hoeveelheid water, de resulterende vloeistof werd gefiltreerd, en de microben werden geconcentreerd in een kleine hoeveelheid vloeistof voor testen. De SBIR-technologie was bedoeld om virussen en bacteriën te concentreren, wat de tijd en kosten verminderde die nodig waren om resultaten te krijgen.

InnovaPrep gebruikte zijn vorige pipetstructuur voor het SBIR-werk, maar NASA's eisende filtratievereisten dongen het bedrijf om naar een nieuw materiaal te zoeken. Testen toonden aan dat de beste optie een holvezelmateriaal was gemaakt van wat eruitziet als 72 kleine rietjes, die deel uitmaken van de filter binnenin de pipet. Een beter filter betekent dat meer virale en bacteriële cellen per monster worden gevangen.

Het bedrijf automatiseerde vervolgens de toepassing van lijm die de filters op hun plaats houdt. Dit verbeterde de prestaties en betrouwbaarheid van het apparaat en diende als eerste stap naar verbeterde productie.

Het afvegen van de hardware van de Perseverance-rover is één stap in NASA's Planetary Protection-strategie om het aantal aardse microben dat naar Mars gaat te beperken. De JPL-schoonruimte, een van de schoonste plaatsen op de planeet, ontwikkelde procedures met behulp van InnovaPrep-technologie om te controleren op eventuele microben die op het oppervlak achterbleven vóór de vlucht. (Afbeelding: NASA)

NASA-vereisten dongen InnovaPrep ook om de kwaliteit van een schuimende vloeistof die de gevangen microben uit het filter verwijdert, te verbeteren.

Om een monster te concentreren ter voorbereiding op analyse — inclusief PCR-testen — vangt een pipet met het filter moleculen en microben opgeschort in een watermonster. De volgende stap, wet foam elution genoemd, duwt de schuimende vloeistof in de pipet, over de binnenkant van het filter om de organismen of verontreinigingen uit een vloeistofmonster te herwinnen. Dit duwt ze naar beneden in een flesje, klaar voor testen.

NASA's toepassing vereiste aanpassingen aan het proces om in de ruimte te functioneren, samen met een langere houdbaarheid voor de eluatvloeistof. De vloeistofbusjes werden aangepast om de vloeistof in micrograviteit te dispenseren en een jaar of langer te zitten voordat ze gebruikt werden. Met wat werk voldede InnovaPrep aan al NASA's vereisten.

Het bioconcentratiesysteem dat voor zwaartekrachtloosheid is gemaakt, is nog niet op het ruimtestation gebruikt, maar bedrijven op aarde besparen tijd en geld met de technologische upgrades. Één voordeel van de water- en luchtbewakingsapparatuur die InnovaPrep aanbiedt, is dat het eenvoudig te gebruiken is. In tegenstelling tot het kweken van culturen in een lab, is geen speciale training vereist.

Het is niet alleen het bijhouden van een pandemie dat de concentratie en testen van pathogenen vereist. Recreatieve faciliteiten gebruiken InnovaPrep-technologie om de waterkwaliteit in zwembaden te monitoren. Ziekenhuizen gebruiken het om binnenruimtes te screenen om ze zo steril mogelijk te houden. Water van koeltorens en gemeentelijke watersystemen wordt regelmatig getest op legionella-bacteriën, die een ernstige vorm van longontsteking kunnen veroorzaken.

Boeren testen irrigatiewater op pathogenen, en voedselfabrikanten monitoreren producten en apparatuurinsspoelingen om voedseloverdraagbare ziekten te elimineren. De InnovaPrep FluidPrep-concentrator die nu door bedrijven wordt gebruikt, is zo efficiënt dat JPL een reeks schoonruimteprotocollen ontwikkelde met behulp van het commerciële apparaat.

Wanneer NASA hardware naar andere planeten lijchamen stuurt, proberen technologen ervoor te zorgen dat het zo schoon mogelijk is. De bedoeling is om microscopische blindepassagiers van de aarde te verwijderen om kansen op besmetting te beperken. Schoonruimtepersoneel gebruikt een vierkante stuk steriel doek van drie voet om grote oppervlakken af te vegen, zoveel mogelijk biomaterie te verwijderen.

"Als u het oppervlak vergroot om te verzamelen, dan vergroot u ook de vloeistof die u gebruikt. En u moet rommelig filteren," zei Venkateswaran. "Al het materiaal moet DNA-vrij zijn, dus we vroegen InnovaPrep om een product te bedenken dat sterieler is dan wat ze hadden. Ze ontwikkelden de technologie om ervoor te zorgen dat hun producten vrij zijn van biomoleculen."

Het gepubliceerde onderzoek dat de effectiviteit van de schoonruimteprocedures verifieerde, hielp InnovaPrep om nieuwe klanten te werven die een sterile omgeving vereisen. Maar de grootste klantenbasis van InnovaPrep is nog steeds afvalwaterbewaking.

Voor meer informatie, bezoek hier.