الصورة: جهاز التشخيص الجيني المتعدد مع التصميم التفصيلي لغرفة التفاعل الميكروفلويدية. للمزيد من المعلومات: حقوق الطبع والنشر (C) جامعة تويوهاشي للتكنولوجيا. جميع الحقوق محفوظة.
نظرة عامة
طور فريق بحثي مكون من دايغو ناتسوهارا، طالب دكتوراه في السنة الأولى، والأستاذ تاكايوكي شيباتا وآخرين من قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة تويوهاشي للتكنولوجيا، بالإضافة إلى الأستاذ هيروتاكا كانوكا وزملائه من كلية الطب بجامعة جيكي، شريحة ميكروفلويدية قادرة على التشخيص المتزامن لكوفيد-19 والإنفلونزا. اعتمد الباحثون نموذجًا نظريًا للتحكم في تدفق السوائل الدقيقة عبر تصميم بسيط للقنوات الميكروفلويدية، ووضعوا نظرية تصميم مثالية لهذه الشرائح. علاوة على ذلك، باستخدام الجهاز المطوّر، أجروا تجارب تضخيم جيني لأربعة أمراض معدية بما في ذلك كوفيد-19، وأظهروا إمكانية إجراء تشخيص سريع ومتعدد في غضون 30 دقيقة. ويمكن استخدام هذا الجهاز للتشخيص الجيني في مجالات متعددة مثل الزراعة وتربية الحيوان والسمكية وصناعة الأغذية والرعاية الصحية والطبية، وليس فقط في تشخيص الأمراض المعدية لدى البشر.
التفاصيل
كما أظهرت جائحة كوفيد-19 العالمية، تسبّبت الأمراض الفيروسية في قلق عام هائل وكان لها تأثير كبير على النشاط الاقتصادي. في هذا البحث، كجزء من التقنيات الداعمة لحياة آمنة ومأمونة، طور الفريق تقنية تشخيصية تتيح لأي شخص وفي أي مكان وزمن، الكشف عن الفيروسات بطريقة سريعة وبسيطة ومنخفضة التكلفة. وتعد طريقة LAMP (التضخيم المتساوي الحرارة باستخدام الحلقة)*1 تقنية اختبار جيني سهلة لا تتطلب أجهزة تحكّم دقيقة بدرجة الحرارة المرتفعة مثل PCR، مما يتيح إجراء الاختبار في الموقع عبر تضخيم الجين عند درجة حرارة ثابتة (60–65℃) لمدة 30 دقيقة إلى ساعة تقريبًا. ومع ذلك، يستلزم تشخيص أنواع متعددة من الفيروسات في الطرق التقليدية لـ LAMP جهدًا كبيرًا في تحضير العينات والكواشف وإجراء تفاعلات تضخيم منفصلة لكل فيروس، الأمر الذي يتطلب خبرة فنية عالية. وللتغلب على ذلك، ابتكر فريق البحث من جامعتي تويوهاشي للتكنولوجيا وجيكي جهاز تشخيص جيني متعدد باستخدام بولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) (أبعاده: 45 مم × 25 مم، حجم كل غرفة تفاعل: 3 ميكرولتر، لخمس غرف) مستندًا إلى تقنية الشرائح الميكروفلويدية. يقوم الجهاز بتوزيع مزيج العينة والكواشف بشكل مستقل ومتساوٍ ودقيق في غرف التفاعل بمجرد إدخال الخليط. ثم يُسخّن الجهاز في ماء دافئ (60–65℃ لمدة 30 دقيقة إلى ساعة تقريبًا) ليتم التشخيص المتزامن لأنواع متعددة من الفيروسات في عملية واحدة لكل عينة. وتظهر نتائج الاختبار الجيني الكشف عن أربعة أمراض معدية، بما في ذلك كوفيد-19 والإنفلونزا الموسمية A وفيروس السارس والإنفلونزا H1N1 pdm09 بنجاح. هنا، فقط غرف التفاعل التي احتوت على جين الفيروس المعني تحوّل لونها إلى الأزرق السماوي بعد 30 دقيقة، مما يوضّح إمكانية الكشف البصري. كذلك، لدعم إجراء الاختبارات في الموقع، طور الفريق تطبيقًا للهواتف الذكية بالتعاون مع شركة OptTech LLC. (تويوهاشي، آيتشي؛ أسسه خريج من الجامعة)، يقوم بتحليل صور كاميرا الهاتف تلقائيًا لتحديد النتائج (إيجابي أو سلبي). وبمجرد وضع الجهاز بعد تفاعل LAMP تحت ضوء LED بسيط والتقاط الصور، يمكن لأي شخص الحصول على نتيجة الاختبار بسهولة وفي أي مكان وزمان.
*1 طريقة LAMP (التضخيم المتساوي الحرارة باستخدام الحلقة) طورتها شركة Eiken Chemical Co., Ltd. (https://www.eiken.co.jp/). وتعتمد على أربعة إلى ستة بادئات تستهدف ستة إلى ثمانية مواقع جينية لتضخيم الجين عند درجة حرارة ثابتة (60–65℃) عبر تفاعل إزاحة الشريط.
نظرة مستقبلية
في المستقبل، يعتزم فريق البحث، بهدف تسويق الجهاز، تطوير أجهزة قادرة على تشخيص سريع ومتزامن للأمراض المعدية البشرية لمواكبة المستجدات الصحية وضمان حياة أكثر أمانًا خلال وبعد جائحة كوفيد-19. كما سيعمل على توفير تقنيات تساهم في سلامة وأمن الغذاء من خلال الكشف المتزامن عن مسببات الحساسية الغذائية (سبعة مكونات محددة: القمح والصويا والفول السوداني والبيض والحليب والجمبري وسرطان البحر) بالإضافة إلى الميكروبات الممرضة مثل السالمونيلا والإشريكية القولونية O-157.
المرجع
دايغو ناتسوهارا، ريوغو سايتو، هيروكو أونومو، تاتسويا ساكوراي، شونيا أوكاموتو، موتو ناغاي، هيروتاكا كانوكا، وتاكايكي شيباتا. (2021). طريقة توزيع السوائل المتسلسلة للتشخيص الجيني المتعدد للعدوى الفيروسية في جهاز ميكروفلويديك. Lab on a Chip, 21(24), 4779-4790. doi:10.1039/d1lc00829c
الشكر والتقدير
دُعم هذا البحث جزئيًا من قبل وكالة أبحاث اليابان للبحوث الطبية والتنمية (AMED) بموجب المنحة رقم JP20he0622021 (تطوير جهاز µTAS للكشف السريع عن SARS-CoV-2؛ ممثل المشروع: الأستاذ هيروتاكا كانوكا). نعرب عن خالص امتناننا على هذا الدعم.
Lab on a Chip 10.