صورة: صورة لجهاز التشخيص الجيني المتعدد وتصميم مفصل لغرفة التفاعل الميكروفلويدية. عرض المزيد من الاعتماد: حقوق الطبع والنشر (C) جامعة تويوهاشي للتكنولوجيا. جميع الحقوق محفوظة.

نظرة عامة

قام فريق بحثي مكون من دايغو ناتسوهارا، طالب دكتوراه في السنة الأولى، والأستاذ تاكايوكي شيباتا وآخرين في قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة تويوهاشي للتكنولوجيا، والأستاذ هيروتاكا كانوكا وآخرين من كلية الطب بجامعة جيكي، بتطوير شريحة ميكروفلويديك قادرة على التشخيص المتزامن لأمراض COVID-19 والإنفلونزا، من خلال تطبيق تقنيات شريحة الميكروفلويديك. أنشأ الفريق نموذجًا نظريًا يتحكم في تدفق السوائل الدقيقة بتصميم ميكروشانيل بسيط للغاية، ووضع نظرية تصميم مثالية لشرائح الميكروفلويديك. بالإضافة إلى ذلك، باستخدام جهاز التشخيص الذي طوروه، أجروا تجارب تضخيم جيني على أربعة أنواع من الأمراض المعدية، بما في ذلك COVID-19، وأثبتوا أن التشخيص السريع والمتعدد كان ممكنًا في غضون 30 دقيقة. يمكن استخدام الجهاز للتشخيص الجيني في مجموعة من المجالات (مثل الزراعة، وتربية الحيوانات، وصناعة الأسماك، وصناعة الأغذية، والرعاية الصحية والطبية)، وليس فقط للأمراض المعدية البشرية.

التفاصيل

كما ظهر خلال جائحة COVID-19 العالمية، تسببت الأمراض الفيروسية في قلق عام هائل وكان لها تأثير كبير على النشاط الاقتصادي. في هذا البحث، كجزء من التكنولوجيا التي تدعم حياتنا الآمنة والمأمونة، طور الفريق تقنية تشخيصية تتيح لأي شخص، في أي مكان وزمان، اكتشاف الأمراض الفيروسية بطريقة سريعة وبسيطة ومنخفضة التكلفة. طريقة LAMP (التضخيم المتساوي الحرارة بواسطة الحلقة)*1 هي تقنية اختبار جيني. هذه الطريقة البسيطة للاختبار لا تتطلب معدات تحكم دقيقة في درجة الحرارة باهظة الثمن، وما إلى ذلك، على عكس اختبار PCR الشائع، ويمكن إجراؤها في الموقع لأنها تسمح بالتضخيم الجيني عند درجة حرارة ثابتة لفترة زمنية محددة (60 إلى 65℃، 30 دقيقة إلى ساعة تقريبًا). ومع ذلك، لتشخيص أنواع متعددة من الفيروسات، تتطلب طريقة LAMP التقليدية جهدًا كبيرًا لإجراء العديد من تحضيرات العينات والكواشف وتفاعلات التضخيم الجيني بعدد المحللات، مما يتطلب معرفة ومهارات خبراء. لذلك، طور فريق البحث بجامعة تويوهاشي للتكنولوجيا وكلية الطب بجامعة جيكي جهاز تشخيص جيني متعدد يعتمد على بولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) (الحجم: 45 مم × 25 مم، غرفة التفاعل: 3 ميكرولتر × 5 قطع) (انظر الصورة في الشكل) من خلال تطبيق تقنية شريحة الميكروفلويديك. يقوم الجهاز بتوزيع العينات والكواشف بشكل مستقل ومتساوٍ ودقيق في مجموعة من غرف التفاعل ببساطة عن طريق إدخال السائل، وهو مزيج من كمية صغيرة جدًا من العينة المستخرجة من المحللات وكاشف، في جهاز التشخيص. من خلال تسخين الجهاز في ماء دافئ (عند 60 إلى 65℃، لمدة 30 دقيقة إلى ساعة تقريبًا)، يكون قادرًا على التشخيص المتزامن لأنواع متعددة من الفيروسات في عملية واحدة فقط (عملية واحدة لكل عينة). تشير نتيجة التشخيص الجيني الموضحة في الشكل إلى أنه تم اكتشاف أربعة أنواع من الأمراض المعدية بما في ذلك COVID-19 (الإنفلونزا الموسمية A، SARS، والإنفلونزا H1N1 pdm09) بنجاح بواسطة هذا الجهاز. فقط غرف التفاعل التي تفاعلت عند إدخال عينة تحتوي على جين كل فيروس تحولت إلى اللون الأزرق السماوي (مما يدل على تفاعل إيجابي) بعد 30 دقيقة، مما يعني أن الكشف البصري ممكن. بالإضافة إلى ذلك، لدعم التشخيصات في الموقع، طور الفريق تطبيقًا للهواتف الذكية، والذي يشخص التفاعل تلقائيًا على أنه إيجابي أو سلبي بناءً على الصور الملتقطة بكاميرا الهاتف الذكي، بالتعاون مع شركة OptTech LLC. (تويوهاشي، آيتشي؛ أسسها خريج من الجامعة). كما هو موضح في الشكل، فإن جهاز التشخيص قادر على تحديد نتيجة الاختبار بسهولة وبشكل تلقائي (إيجابي أو سلبي)، عن طريق وضع الجهاز بعد تفاعل LAMP في جهاز إضاءة LED بسيط والتقاط الصور بهاتف ذكي. نتيجة لذلك، من المتوقع أن يتمكن أي شخص من إجراء الاختبار بسهولة، في أي مكان وفي أي وقت.

*1 طريقة LAMP هي طريقة تضخيم متساوي الحرارة بواسطة الحلقة طورتها شركة Eiken Chemical Co., Ltd. (https://www.eiken.co.jp/). يتم تعيين أربعة إلى ستة أنواع من البادئات لستة إلى ثمانية مناطق من الجين المستهدفين لتضخيم الجين عند درجة حرارة ثابتة (60 إلى 65℃) من خلال تفاعل إزاحة الشريط.

نظرة مستقبلية

في المستقبل، بهدف تسويق جهاز التشخيص، سيطور فريق البحث أجهزة قادرة على التشخيص السريع والمتعدد لمتابعة الأمراض والأمراض المعدية البشرية من أجل حياة آمنة خلال وبعد جائحة COVID-19. ولتوفير تقنيات تساهم في سلامة وأمن الغذاء، سيهدف إلى تحقيق التشخيص المتعدد المتزامن للمواد المسببة للحساسية الغذائية (سبعة مواد خام محددة: القمح، الصويا، الفول السوداني، البيض، الحليب، الجمبري، وسرطان البحر) والفطريات السامة الغذائية (مثل السالمونيلا وO-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, 10.1039/d1lc00829c

الشكر والتقدير

تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل وكالة اليابان للبحوث الطبية والتنمية (AMED) تحت رقم المنحة JP20he0622021 (تطوير جهاز µTAS للكشف السريع عن SARS-CoV-2؛ الممثل: الأستاذ هيروتاكا كانوكا). نعبر عن امتناننا العميق لذلك.

Lab on a Chip 10.