اجتاحت الأوبئة الكبرى ، بما في ذلك السارس وزيكا والإيبولا ، والأوبئة مثل H1N1 و COVID-19 العالم في العقدين الماضيين. مع ظهور فاشيات الأمراض المعدية مع زيادة انتظامها ، تصبح الحاجة إلى توسيع القدرة على التشخيص الفيروسي واختبار المراقبة لاحتواء الأوبئة والوقاية من الأوبئة واضحة بشكل تدريجي. بقيادة الباحثين دينو دي كارلو و سام امامينجاد من جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس (في جامعة كاليفورنيا) طورت الآن اختبارًا تشخيصيًا فيروسيًا محمولًا يعتمد على سرب من المغناطيسات بحجم ملليمتر (يُطلق عليها "ferrobots"). يمكن لهذه التقنية أن تزيد بشكل كبير من إنتاجية اختبارات الأمراض ، مع تقليل التكاليف واستخدام الإمدادات النادرة.
وصف طقم المختبر التشخيصي بتنسيق الطبيعة، يحدد الباحثون مبدأ العمل وقدرة النظام الأساسي على التكيف للاختبار الفيروسي المتعدد والمجمع. كما قاموا بالإبلاغ عن نتائج دراسة سريرية باستخدام عينات من أفراد يعانون من أعراض COVID-19. كشفت مقارنة نتائج الاختبار باستخدام مجموعة المختبر مع نفس العينات التي تم اختبارها لـ COVID-19 باستخدام مقايسة النسخ العكسي المعياري الذهبي لتفاعل البوليميراز المتسلسل (RT-PCR) عن حساسية اختبار بنسبة 98 ٪ وخصوصية بنسبة 100 ٪.
التغلب على نقص المعروض وخفض التكلفة
من بين خيارات التشخيص الفيروسي واختبار المراقبة ، تُظهر اختبارات تضخيم الحمض النووي (NAATs) مزايا واضحة على الاختبارات المعتمدة على المستضد والأجسام المضادة ، من حيث الحساسية والنوعية والقدرة على التوفير السريع دون التوليد المسبق للأجسام المضادة التشخيصية المحددة. ومع ذلك ، لم تكن منصات الاختبار السابقة المستندة إلى NAAT قادرة على أداء عمليات معالجة السوائل المتكاملة والتحليل والتغذية الراجعة التلقائية اللازمة لتحقيق تدفقات عمل مرنة وتعظيم كفاءة فحص المرض.
للتغلب على هذا النقص ، أنشأ باحثو جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس منصة قابلة للبرمجة تعتمد على لوحة الدوائر المطبوعة بحجم راحة اليد والتي تقوم بمعالجة السوائل وعمليات التحليل الحيوي بطريقة متوازية. على عكس الأساليب السابقة ، التي تطلبت أدوات ضخمة كثيفة الاستخدام للموارد ، توفر المنصة المصغرة وفورات كبيرة في التكلفة على نطاق واسع من الانتشار الفيروسي ، بينما تقدم في الوقت نفسه دقة عالية وقوة وقدرة على التكيف وقابلية التوسع.
يقول إمامينجاد: "يمكن لتقنية المختبر المحمولة الخاصة بنا أن تساعد في التغلب على بعض حواجز الندرة والوصول إلى الاختبارات ، خاصة في وقت مبكر من الجائحة ، عندما يكون من الأهمية بمكان السيطرة على انتشار المرض". "بالإضافة إلى قدرتها على معالجة قضايا نقص الإمدادات وارتفاع الطلب ، يمكن تكييفها على نطاق واسع لاختبار العديد من أنواع الأمراض في هذا المجال وبجودة المختبر."
الانتقال إلى الاختبار المضاعف والمجمع
طور الباحثون مجموعة من العمليات للكشف عن وجود مادة وراثية من فيروس - في هذه الحالة ، SARS-CoV-2 الذي يسبب COVID-19. تتحكم لوحة الدائرة في سرب من الروبوتات الحديدية لنقل العينات الممغنطة من خلال سير عمل NAAT التشخيصي ، بما في ذلك النقل الآلي ، والتقسيم ، والدمج ، والمزج ، والتسخين لقطرات العينة لتضخيم منتج التفاعل (DNA). أخيرًا ، يتم تحديد النتائج بناءً على تغيير لون مؤشر الأس الهيدروجيني ، والذي يتيح تفسيرًا ثنائيًا للاختبار ، أعلى أو أقل من العتبة ، على أنها إيجابية أو سلبية ، على التوالي.
أظهر باحثو جامعة كاليفورنيا أيضًا الموازاة - نقل العديد من الروبوتات في نفس الوقت باستخدام البلاط الكهرومغناطيسي في الدائرة - بالإضافة إلى عمليات المهام المتسلسلة بطريقة تعاونية من قبل كل حديدي (بالتنسيق مع الروبوتات الأخرى).
يقول دي كارلو: "يتيح التصميم المدمج لهذه المنصة والتعامل الآلي للعينات تنفيذًا سهلاً للاختبار المجمع حيث يمكنك اختبار عشرات عينات المرضى في نفس الوقت ، وكلها بنفس المواد التي تتطلبها حاليًا لاختبار مريض واحد فقط". "على سبيل المثال ، يمكنك اختبار الطلاب في قاعة إقامة جامعية بأكملها باستخدام بضع عشرات من مجموعات الاختبار".
يكتشف المستشعر الحيوي القابل للتكيف بسرعة فيروس COVID-19 والأجسام المضادة
من خلال تنفيذ خوارزمية اختبار مجمعة ، والتي يمكنها اختبار ما يصل إلى 16 عينة في اختبار واحد ، يتطلب النظام تكاليف كاشف أقل بكثير مما هو مطلوب لاختبار العينات بشكل فردي. إذا أظهر الاختبار المجمع نتيجة إيجابية ، فسيتم إجراء مجموعة مبسطة لاحقة من العمليات داخل النظام الأساسي حتى يتم تحديد العينات الإيجابية الفعلية. في النهاية ، لاحظ الباحثون أن تكاليف الكواشف الكيميائية يمكن أن تنخفض بمقدار 10 إلى 300 مرة اعتمادًا على انتشار الفيروس.
بالإضافة إلى اختبار العديد من الأمراض في وقت واحد ، يمكن للمنصة تحليل عدد كبير من عينات الإدخال بالتوازي وغير المتزامن عند وصولها ، وتجنب أوقات الانتظار المرتبطة بمعالجة الدُفعات. على هذا النحو ، خلص الفريق إلى أن هذه التكنولوجيا بمثابة حل واعد لزيادة قدرة الاختبار على مستوى العالم للتأهب للأوبئة والوباء.
