מגיפות גדולות, כולל SARS, זיקה ואבולה, ומגיפות כמו H1N1 ו-COVID-19 תפסו את העולם בשני העשורים האחרונים. ככל שהתפרצויות מחלות זיהומיות מתעוררות בקביעות גוברת, הצורך להרחיב את יכולת האבחון והמעקב הנגיפי כדי להכיל מגיפות ולמנוע מגיפות מתגלה בהדרגה. חוקרים בראשות דינו די קרלו ו סם אממיניג'ד מאוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס (UCLA) פיתחו כעת בדיקת אבחון ויראלית כף יד המבוססת על נחיל של מגנטים בגודל מילימטר (המכונים "פררובוטים"). הטכנולוגיה יכולה להגדיל באופן משמעותי את התפוקה של בדיקות מחלות, תוך מזעור עלויות ושימוש באספקה נדירה.
תיאור ערכת מעבדת האבחון ב טבע, החוקרים מתארים את עקרון העבודה ויכולת ההסתגלות של הפלטפורמה לבדיקות ויראליות מרובבות ומאוחדות. הם גם מדווחים על תוצאות ממחקר קליני באמצעות דגימות של אנשים עם תסמיני COVID-19. השוואת תוצאות הבדיקה באמצעות ערכת המעבדה עם אותן דגימות שנבדקו ל-COVID-19 באמצעות מבחן תגובת שרשרת של תעתוק פולימראז (RT-PCR) בתקן הזהב גילתה רגישות לבדיקה של 98% וסגוליות של 100%.
התגברות על מחסור באספקה והפחתת עלויות
בין האפשרויות לבדיקות אבחון ומעקב נגיפי, בדיקות הגברה של חומצת גרעין (NAAT) מראות יתרונות ברורים על פני בדיקות מבוססות אנטיגן ונוגדנים, מבחינת רגישות, סגוליות ויכולת מתן מהיר ללא יצירת נוגדנים אבחנתיים ספציפיים. עם זאת, פלטפורמות בדיקה קודמות המבוססות על NAAT לא הצליחו לבצע את הטיפול המשולב בנוזלים, הניתוח ותהליכי המשוב האוטומטיים הדרושים כדי להשיג זרימות עבודה גמישות ולמקסם את יעילות בדיקת המחלות.
כדי להתגבר על החסר הזה, חוקרי UCLA יצרו פלטפורמה ניתנת לתכנות מבוססת מעגלים מודפסים בגודל כף היד המבצעת טיפול בנוזלים ופעולות ביואנליטיות באופן מקביל. בניגוד לשיטות קודמות, שדרשו מכשירים מגושמים ועתירי משאבים, הפלטפורמה הממוזערת מספקת חיסכון משמעותי בעלויות על פני מגוון רחב של שכיחות ויראלית, ובמקביל מציעה דיוק גבוה, חוסן, יכולת הסתגלות ומדרגיות.
"טכנולוגיית המעבדה הידנית שלנו יכולה לעזור להתגבר על חלק מהמחסומים של מחסור וגישה לבדיקות, במיוחד בשלב מוקדם של מגיפה, כאשר זה הכי חיוני לשלוט בהתפשטות המחלה", אומר אממיניג'ד. "ומעבר לפוטנציאל שלו לטפל בבעיות של אספקה קצרה וביקוש גבוה, הוא יכול להיות מותאם באופן נרחב לבדיקת סוגים רבים של מחלות בשטח ובאיכות מעבדה".
מעבר לבדיקות מרובבות ומאוחדות
החוקרים פיתחו חבילת פעולות לזיהוי נוכחות של חומר גנטי מנגיף - במקרה זה, SARS-CoV-2 שגורם ל-COVID-19. המעגל שולט על נחיל של פררובוטים כדי להעביר דגימות ממוגנטות דרך זרימת העבודה האבחנתית של NAAT, כולל הובלה אוטומטית, חלוקה, מיזוג, ערבוב וחימום של טיפות דגימות כדי להגביר את תוצר התגובה (DNA). לבסוף, התוצאות נקבעות על סמך שינוי צבע של מחוון pH, המאפשר פרשנות בינארית של הבדיקה, מעל או מתחת לסף, כחיובית או שלילית, בהתאמה.
חוקרי UCLA גם הדגימו מקבילות - הזזת רבים מהפררובוטים בו-זמנית באמצעות אריחים אלקטרומגנטיים במעגל - וכן פעולות משימות עוקבות באופן שיתופי על ידי כל פרורובוט (בתיאום עם הפררובוטים האחרים).
"העיצוב הקומפקטי של הפלטפורמה הזו והטיפול האוטומטי בדגימות מאפשרים הטמעות קלות של בדיקות מאוחדות שבהן ניתן לבדוק עשרות דגימות של מטופלים בו-זמנית, והכל עם אותם החומרים הנדרשים כרגע כדי לבדוק רק מטופל אחד", אומר די קרלו. "לדוגמה, אתה יכול לבדוק סטודנטים במעון שלם בקולג' עם כמה עשרות ערכות מבחן בלבד."
חיישן ביולוגי הניתן להתאמה מזהה במהירות וירוס COVID-19 ונוגדנים
על ידי הטמעת אלגוריתם בדיקה מאוחד, שיכול לבדוק עד 16 דגימות בבדיקה אחת, המערכת דורשת עלויות ריאגנטים נמוכות בהרבה מהנדרש כדי לבדוק את הדגימות בנפרד. אם הבדיקה המאוחדת הראתה תוצאה חיובית, מערך פעולות יעיל לאחר מכן מתבצע בתוך הפלטפורמה עד לזיהוי הדגימות החיוביות בפועל. בסופו של דבר, מציינים החוקרים, ניתן להפחית את עלויות הריאגנטים הכימיים פי 10 עד 300 בהתאם לשכיחות הנגיפים.
בנוסף לבדיקת מספר מחלות בו זמנית, הפלטפורמה יכולה לנתח מספר רב של דגימות קלט במקביל ובאופן אסינכרוני עם הגעתן, תוך הימנעות מזמני המתנה הקשורים לעיבוד אצווה. ככזה, הצוות מגיע למסקנה שטכנולוגיה זו משמשת פתרון מבטיח להגדלת יכולת הבדיקה העולמית עבור מוכנות למגפות ולמגפות.
