โรคระบาดที่สำคัญ เช่น SARS, Zika และ Ebola และโรคระบาด เช่น H1N1 และ COVID-19 ได้แพร่ระบาดไปทั่วโลกในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา เนื่องจากการระบาดของโรคติดเชื้อเกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอมากขึ้น ความจำเป็นในการขยายขีดความสามารถในการตรวจวินิจฉัยและเฝ้าระวังไวรัสเพื่อควบคุมโรคระบาดและป้องกันการแพร่ระบาดจึงชัดเจนขึ้นเรื่อยๆ นักวิจัยนำโดย ดิโน ดิ คาร์โล และ แซม เอมิเนจาด จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแอนเจลิส (ยูซีแอล) ได้พัฒนาชุดตรวจวินิจฉัยไวรัสแบบพกพาโดยใช้แม่เหล็กขนาดมิลลิเมตรจำนวนมาก (เรียกว่า "เฟอร์โรบอต") เทคโนโลยีนี้สามารถเพิ่มปริมาณงานในการตรวจโรคได้อย่างมาก ในขณะที่ลดต้นทุนและการใช้เวชภัณฑ์ที่ขาดแคลน
อธิบายชุดตรวจวินิจฉัยโรคใน ธรรมชาตินักวิจัยสรุปหลักการทำงานและความสามารถในการปรับตัวของแพลตฟอร์มสำหรับการทดสอบไวรัสแบบมัลติเพล็กซ์และแบบรวม พวกเขายังรายงานผลจากการศึกษาทางคลินิกโดยใช้ตัวอย่างจากบุคคลที่มีอาการ COVID-19 การเปรียบเทียบผลการทดสอบโดยใช้ชุดห้องปฏิบัติการกับตัวอย่างเดียวกันที่ทดสอบสำหรับ COVID-19 โดยใช้การทดสอบปฏิกิริยาลูกโซ่โพลิเมอร์เรสแบบย้อนกลับมาตรฐานทองคำ (RT-PCR) เผยให้เห็นความไวในการทดสอบ 98% และความจำเพาะ 100%
เอาชนะการขาดแคลนอุปทานและลดต้นทุน
ในบรรดาตัวเลือกต่างๆ สำหรับการตรวจวินิจฉัยไวรัสและการเฝ้าระวัง การทดสอบการขยายกรดนิวคลีอิก (NAATs) แสดงให้เห็นถึงข้อดีที่ชัดเจนเหนือการทดสอบแอนติเจนและแอนติบอดีเป็นพื้นฐาน ในแง่ของความไว ความจำเพาะ และความสามารถในการจัดเตรียมอย่างรวดเร็วโดยไม่ต้องสร้างแอนติบอดีเพื่อการวินิจฉัยจำเพาะก่อนหน้า อย่างไรก็ตาม แพลตฟอร์มการทดสอบที่ใช้ NAAT ก่อนหน้านี้ไม่สามารถดำเนินการจัดการของเหลวแบบบูรณาการ การวิเคราะห์ และกระบวนการป้อนกลับอัตโนมัติที่จำเป็นเพื่อให้ได้เวิร์กโฟลว์ที่ยืดหยุ่นและเพิ่มประสิทธิภาพการคัดกรองโรคให้ได้สูงสุด
เพื่อเอาชนะความขาดแคลนนี้ นักวิจัยของ UCLA ได้สร้างแพลตฟอร์มที่ตั้งโปรแกรมได้บนแผงวงจรพิมพ์ขนาดเท่าฝ่ามือที่ดำเนินการจัดการของเหลวและการดำเนินการวิเคราะห์ทางชีวภาพในลักษณะคู่ขนานกัน ตรงกันข้ามกับวิธีการก่อนหน้านี้ ซึ่งต้องใช้เครื่องมือขนาดใหญ่และใช้ทรัพยากรมาก แพลตฟอร์มขนาดเล็กช่วยประหยัดต้นทุนได้อย่างมากในช่วงที่ไวรัสแพร่ระบาดในวงกว้าง ในขณะเดียวกันก็มีความแม่นยำสูง ทนทาน ปรับตัวได้ และปรับขนาดได้
Emaminejad กล่าวว่า "เทคโนโลยีห้องปฏิบัติการแบบพกพาของเราสามารถช่วยเอาชนะอุปสรรคด้านความขาดแคลนและการเข้าถึงการทดสอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งช่วงต้นของการระบาดใหญ่ เมื่อการควบคุมการแพร่กระจายของโรคเป็นสิ่งสำคัญที่สุด" Emaminejad กล่าว “และนอกเหนือจากศักยภาพในการแก้ไขปัญหาสินค้าขาดตลาดและความต้องการสูงแล้ว ยังสามารถนำไปปรับใช้ในวงกว้างเพื่อทดสอบโรคหลายประเภทในภาคสนามและด้วยคุณภาพระดับห้องปฏิบัติการ”
ย้ายไปที่การทดสอบแบบมัลติเพล็กซ์และแบบพูล
นักวิจัยได้พัฒนาชุดปฏิบัติการเพื่อตรวจจับการมีอยู่ของสารพันธุกรรมจากไวรัส ในกรณีนี้คือ SARS-CoV-2 ที่เป็นสาเหตุของโควิด-19 แผงวงจรควบคุมฝูงเฟอร์โรบอตเพื่อขนส่งตัวอย่างแม่เหล็กผ่านเวิร์กโฟลว์การวินิจฉัย NAAT รวมถึงการขนส่งอัตโนมัติ การแบ่งส่วน การผสาน การผสม และการให้ความร้อนของหยดตัวอย่างเพื่อขยายผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา (DNA) สุดท้าย ผลลัพธ์จะพิจารณาจากการเปลี่ยนสีของตัวบ่งชี้ค่า pH ซึ่งทำให้สามารถตีความแบบไบนารีของการทดสอบ สูงหรือต่ำกว่าเกณฑ์ เป็นค่าบวกหรือค่าลบตามลำดับ
นักวิจัยของ UCLA ยังได้สาธิตการขนาน – การย้ายเฟอร์โรบอตหลายตัวพร้อมกันโดยใช้กระเบื้องแม่เหล็กไฟฟ้าในวงจร – เช่นเดียวกับการปฏิบัติงานตามลำดับในลักษณะการทำงานร่วมกันโดยเฟอร์โรบอตแต่ละตัว (โดยประสานงานกับเฟอร์โรบอตตัวอื่นๆ)
“การออกแบบที่กะทัดรัดของแพลตฟอร์มนี้และการจัดการตัวอย่างอัตโนมัติทำให้สามารถใช้งานการทดสอบแบบรวมได้ง่าย โดยคุณสามารถทดสอบตัวอย่างผู้ป่วยหลายสิบตัวอย่างในเวลาเดียวกัน และทั้งหมดนี้ใช้วัสดุเดียวกันกับที่ใช้ทดสอบผู้ป่วยเพียงรายเดียวในปัจจุบัน” Di Carlo กล่าว “ตัวอย่างเช่น คุณสามารถทดสอบนักเรียนในหอพักของวิทยาลัยทั้งหมดด้วยชุดทดสอบเพียงไม่กี่โหล”
ไบโอเซนเซอร์ที่ปรับเปลี่ยนได้จะตรวจจับไวรัสและแอนติบอดีของ COVID-19 ได้อย่างรวดเร็ว
ด้วยการใช้อัลกอริทึมการทดสอบแบบรวม ซึ่งสามารถทดสอบได้ถึง 16 ตัวอย่างในการทดสอบครั้งเดียว ระบบต้องการต้นทุนรีเอเจนต์ที่ต่ำกว่าที่จำเป็นในการทดสอบตัวอย่างทีละรายการ หากการทดสอบรวมแสดงผลลัพธ์ที่เป็นบวก ชุดการดำเนินการที่คล่องตัวตามมาจะเกิดขึ้นภายในแพลตฟอร์มจนกว่าจะระบุตัวอย่างที่เป็นบวกจริง ท้ายที่สุดแล้ว นักวิจัยทราบว่าค่าใช้จ่ายของสารเคมีสามารถลดลงได้ 10 ถึง 300 เท่า ขึ้นอยู่กับความชุกของไวรัส
เช่นเดียวกับการทดสอบโรคต่างๆ พร้อมกัน แพลตฟอร์มนี้สามารถวิเคราะห์ตัวอย่างอินพุตจำนวนมากแบบขนานและแบบอะซิงโครนัสเมื่อมาถึง หลีกเลี่ยงเวลารอที่เกี่ยวข้องกับการประมวลผลเป็นชุด ด้วยเหตุนี้ ทีมงานจึงสรุปได้ว่าเทคโนโลยีนี้ทำหน้าที่เป็นโซลูชันที่มีแนวโน้มที่จะเพิ่มขีดความสามารถในการทดสอบทั่วโลกสำหรับการเตรียมพร้อมรับมือกับโรคระบาดและโรคระบาด
