طوّر فريقٌ بحثيّ يضمّ دايغو ناتسوهارا (طالب دكتوراه، السنة الأولى) والأستاذ تاكايوكي شيباتا وآخرين من قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة تويوهاشي للتكنولوجيا، إلى جانب الأستاذ هيروتاكا كانوكا وزملائه من كلية الطب بجامعة جيكي، رقاقةً ميكروفلويدية قادرةً على التشخيص المتزامن لكوفيد-19 والإنفلونزا. اعتمد الباحثون نموذجاً نظرياً للتحكُّم في تدفُّق الموائع الدقيقة باستخدام تصميمٍ بالغ البساطة للقنوات الميكروفلويدية، وصاغوا مبدأ تصميمٍ مُثلى لرقاقاتٍ ميكروفلويدية. إضافةً إلى ذلك، وباستخدام الجهاز المُطوَّر، أجرَوا تجاربَ تضخيمٍ جيني لأربعة أمراضٍ مُعدية، من بينها كوفيد-19، وأظهروا إمكان إجراءِ تشخيصٍ سريعٍ ومتعدد خلال نحو 30 دقيقة. ويمكن استخدام هذا الجهاز في التشخيص الجيني عبر مجالاتٍ عدّة مثل الزراعة، وتربية الحيوانات، وتربية الأسماك، وصناعة الأغذية، والرعاية الصحيّة والطبية، وليس فقط في تشخيص الأمراض المُعدية لدى البشر.
كما أظهرت جائحةُ كوفيد-19 العالمية، تتسبّب الأمراضُ الفيروسية في قلقٍ عامٍّ كبير ولها أثرٌ بالغٌ في النشاط الاقتصادي. وفي هذا البحث، وبهدف دعم حياةٍ آمنةٍ ومأمونة، طوّر الفريق تقنيةً تشخيصية تُتيح لأيّ شخص، وفي أيّ مكانٍ وزمان، الكشفَ عن الفيروسات بطريقةٍ سريعة وبسيطة ومنخفضة الكلفة. تُعدّ طريقة LAMP (التضخيم المتساوي الحرارة بالحلقة)1 تقنيةَ فحصٍ جينيّ سهلةً لا تتطلّب تحكّماً دقيقاً بالتدوير الحراري المرتفع كما في تفاعل البوليميراز المتسلسل PCR، ما يُتيح إجراء الاختبار في الموقع عبر تضخيم المادة الوراثية عند درجة حرارة ثابتة (\(60\text{–}65\,^\circ\mathrm{C}\)) لمدة 30 دقيقة إلى نحو ساعة. غير أنّ تشخيصَ أنواعٍ متعدّدة من الفيروسات بوسائل LAMP التقليدية يستلزم جهداً كبيراً في تحضير العيّنات والكواشف وإجراء تفاعلات تضخيمٍ منفصلة لكل مُحلَّل، وهو ما يتطلب خبرةً فنيةً عالية. لتجاوز ذلك، ابتكر فريقُ جامعة تويوهاشي للتكنولوجيا وجامعة جيكي جهازَ تشخيصٍ جينيّاً مُتعدّداً مصنوعاً من بولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) (الأبعاد: 45 مم × 25 مم؛ حُجيرات التفاعل: 3 ميكرولتر × 5)، بالاعتماد على تقنية الرقاقات الميكروفلويدية. يقوم الجهاز، بمجرد إدخال مزيجِ العَيِّنة مع الكواشف، بتوزيعِ السوائل ذاتياً وبصورةٍ مستقلةٍ ومتساويةٍ ودقيقةٍ على حُجيرات التفاعل. ثم يُسخَّن الجهاز في حمّامٍ مائيّ (\(60\text{–}65\,^\circ\mathrm{C}\) لمدة 30 دقيقة إلى نحو ساعة)، ليُمكن إجراءُ التشخيص المتزامن لأنواعٍ متعدّدة من الفيروسات ضمن عمليةٍ واحدة لكل عَيِّنة. وتُظهر نتائجُ التشخيص الجيني المعروضة في الشكل اكتشافَ أربعة أمراضٍ مُعدية، بما في ذلك كوفيد-19، والإنفلونزا الموسمية A، وفيروس سارس، وإنفلونزا A(H1N1)pdm09، بنجاح. هنا، تحوّل لونُ حُجيرات التفاعل التي احتوت على المادة الوراثية للفيروس المستهدَف إلى الأزرق السماوي بعد 30 دقيقة، بما يُتيح كشفاً بصرياً مباشراً. ولتمكين إجراء الاختبارات في الموقع، طوّر الفريق أيضاً تطبيقاً للهواتف الذكية بالتعاون مع شركة OptTech LLC (تويوهاشي، آيتشي؛ أسّسها خريجٌ من الجامعة)، يقوم بتحليل صور الكاميرا آليّاً لتحديد النتائج (إيجابي/سلبي). وبمجرد وضع الجهاز بعد تفاعل LAMP تحت ضوء LED بسيط والتقاط صورة، يمكن لأيّ شخصٍ الحصولُ على نتيجة الاختبار بسهولة، وفي أيّ مكانٍ وزمان.
في المرحلة القادمة، وبهدف تسويق الجهاز، يعتزم فريقُ البحث تطويرَ نُظُم قادرةٍ على تشخيصٍ سريعٍ ومُتزامنٍ للأمراض المُعدية البشرية، لمواكبة المستجدّات الصحية وضمان حياةٍ أكثر أماناً خلالَ جائحة كوفيد-19 وبعدها. كما سيعمل على توفير تقنياتٍ تُسهم في سلامة وأمن الغذاء عبر الكشف المتزامن المتعدد عن مُسبِّبات الحساسية الغذائية (سبعة مكوّنات محددة: القمح، الصويا، الفول السوداني، البيض، الحليب، الجمبري، وسرطان البحر)، إضافةً إلى الميكروبات الممرِضة (مثل السالمونيلا وجرثومة إيشيريشيا كولي O157).
Lab on a Chip.