يمكن لمجموعة اختبار صغيرة تشخيص العدوى في غضون 20 دقيقة، وبالتالي تقليل وقت انتظار النتائج بأيام كاملة وإنقاذ حياة شخص/عام أو كيلي
تم نشر المقال بموافقة مجلة Scientific American Israel وشبكة Ort Israel
نحن نقوم بشكل روتيني بقياس العلامات الحيوية للصحة مثل درجة حرارة الجسم أو ضغط الدم، ولكن لا نزال لا نملك طريقة لذلك
سريع في التعرف بدقة على سبب معظم الالتهابات. يدفع المرضى ثمناً باهظاً لعدم قدرتنا على التعرف على الفيروسات والبكتيريا الضارة. خلال أيام الانتظار التي يحتاجها الأطباء عادة للتعرف على البكتيريا والفيروسات، تصبح الأمراض المنتشرة في الجسم وعلاجها أكثر صعوبة، وقد يموت المرضى الأكثر عرضة للخطر - حديثي الولادة والبالغين وذوي المناعة الضعيفة -.
وتحدث هذه التأخيرات حتى في العيادات المجهزة بجميع مزايا الطب عالي التقنية، وخاصة في العيادات الصغيرة في أفريقيا حيث يمكن أن يستغرق تلقي النتائج عدة أيام. خلال هذا الوقت، قد يتلقى مرضى الملاريا علاجًا خاطئًا للتيفوئيد، وقد يُترك مرضى الإيبولا دون إشراف خاص، بدلاً من إرسالهم إلى العزل.
الاختبارات بطيئة للغاية لأن البصمات الجزيئية لأي عدوى معينة تكون مخفية في جسم الإنسان بين وفرة البروتينات والجزيئات الطبيعية التي تخفيها. ربما تحتوي عينة دم واحدة على 1,000 علامة جزيئية فريدة لبكتيريا معينة تطفو بين تريليونات من الجزيئات التي لا علاقة لها بالعدوى. ويستغرق الأمر وقتًا طويلاً حتى يتمكن العلماء الخبراء، في مختبرات متخصصة مجهزة بمعدات معقدة ومكلفة، من العثور على مجموعة كبيرة بما يكفي من الجزيئات المستهدفة لإطلاق إشارة الإنذار.
ونحن الآن على وشك تحسن ملحوظ في الوضع. فبدلاً من إضاعة الوقت والمخاطرة بحياة المرضى في نقل العينات من المرضى إلى مختبرات التشخيص، يمكننا اكتشاف الجزيئات التي تميز المرض والتعرف عليها بالفعل في عيادة الطبيب، بعد الانتظار حوالي 20 دقيقة. ويمكن القيام بذلك بمساعدة أجهزة استشعار نانوية صغيرة، يبلغ قطرها أجزاء من المليار من المتر، وموجودة في حاوية بلاستيكية صغيرة. كل ما عليك فعله هو وضع قطرة دم في الوعاء والحصول على النتيجة. تستجيب أجهزة الاستشعار النانوية بسرعة للمستويات المنخفضة من الحمض النووي البكتيري، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن أجهزة الاستشعار والحمض النووي لهما نفس الحجم تقريبًا.
والحجم لا يهم. لن يتم الشعور بموجة صغيرة في سفينة حربية، لكنها ستهز زورق التجديف بشكل جيد إلى حد ما: سوف ترش الماء على جوانب القارب وتخيف المجدفين. وكذلك الحال مع مستشعراتنا النانوية: فهي تتفاعل مع بيئتها، السائل الموجود في عينة الدم، بطريقة لا تستطيع أجهزة الاستشعار الأكبر منها القيام بها، وهذا يحدث بسرعة كبيرة.
أنا وزملائي متحمسون لمعرفة أن أنظمتنا سوف يتم اختبارها في العيادات خلال عام 2016. ونظامنا هو مجرد واحد من العديد من الأساليب التشخيصية الواعدة التي طورها باحثون آخرون يستخدمون أيضًا التفاعلات النانوية. في العقد الماضي، قام العلماء بتضمين طرق لتصميم المواد، غالبًا ما تكون ذرة بذرة. تستخدم المختبرات في جميع أنحاء العالم أساليب التحكم الدقيقة هذه لتصميم وبناء الأجهزة التي تستجيب بشكل خاص لظروف محددة مسبقًا. زمن استجابة هذه الأجهزة قصير جداً مقارنة بالأجهزة الكبيرة السابقة. ما زلنا جميعًا حذرين للغاية لأننا رأينا بالفعل نماذج أولية ناجحة تفشل في العالم الحقيقي. ولكننا نأمل أيضًا أن تساعدنا مثل هذه الأساليب في نهاية المطاف في التوصل إلى علاج عند الحاجة إليه.
التقاط المرض
دخلت مجموعتي البحثية هذا المجال منذ حوالي عشر سنوات. لقد شاهدنا برهبة كيف يستخدم مرضى السكري أجهزة استشعار بسيطة للجلوكوز يمكن حملها في أيديهم بشكل مريح. تقوم جزيئات الجلوكوز في الواقع بإغلاق الدائرة الكهربائية في الجهاز وإنشاء تيار عن طريق فقدان بعض الإلكترونات. يشير التيار الأقوى إلى وجود المزيد من الجلوكوز في الدم. لقد تساءلنا عما إذا كان بإمكاننا استخدام نفس النهج لقياس تسلسلات معينة من الحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) من البكتيريا أو الفيروسات التي تعمل كعلامات فريدة للعدوى.
ومن أجل تحقيق الهدف، كان علينا إيجاد طريقة لجذب والتقاط بعض جزيئات الحمض النووي من العوامل المسببة للمرض التي قد تكون موجودة في عينة دم مأخوذة من المريض. لصيد الأسماك كنا بحاجة إلى الطعم. إحدى السمات الرائعة لكل قطعة من الحمض النووي هي ميلها إلى الارتباط بشكل انتقائي ومحكم بتسلسل آخر من الحمض النووي يمكننا تصميمه وإعداده بأنفسنا. لذا، على سبيل المثال، يمكننا إنشاء تسلسل لصيد سلالة من بكتيريا المكورات العنقودية. هذا طعم فريد للغاية. قمنا بتوصيل جزيء الطعم بجهاز استشعار، وهو عبارة عن سلك ذهبي بعرض ملليمتر واحد، مصمم لنقل تيار كهربائي فقط عند التقاط الحمض النووي البكتيري. (الذهب يعمل بشكل جيد لأنه موصل جيد للكهرباء).
ولكن بما أن الحمض النووي في حد ذاته لا يطلق ما يكفي من الإلكترونات لإنتاج تيار كهربائي قوي بما يكفي لقياسه باستخدام السلك الذهبي، فقد كنا بحاجة إلى مكبر للصوت. ولهذا أضفنا جزيئات من معدن الروثينيوم إلى عينتنا. تحتوي هذه الجزيئات المعدنية على شحنة كهربائية موجبة، لذلك تنجذب إلى الحمض النووي الذي يحمل شحنة سالبة. وعندما يرتبط جزيء الحمض النووي بمستشعرنا، فإن الجزيئات المعدنية تنضم إليه. يجذب اقتران الحمض النووي المعدني الإلكترونات بسهولة من السلك الذهبي، وبالتالي يخلق تيارًا كهربائيًا بكثافة يمكن اكتشافها. تسمح لنا جزيئات الطعم المختلفة الموجودة على سطح المستشعر بتحديد موقع الحمض النووي من البكتيريا المختلفة.
جاءت الأخبار السيئة عندما لم تنجح هذه الطريقة في مواقف مشابهة للحياة الواقعية. لقد نجح الأمر بشكل جيد عندما أدخلنا كمية كبيرة من الحمض النووي البكتيري إلى عيناتنا: تريليونات من الجزيئات. ولكن بعد ذلك جربنا الطريقة مع مستويات الحمض النووي القريبة من المستويات الموجودة عادة في عينات الدم التي يسحبها الطبيب بإبرة. تحتوي هذه العينات عادةً على حوالي 1,000 جزيء مستهدف أو أقل. لقد حاولنا تحريف النتائج لصالحنا واستخدمنا عينات تحتوي على مليون جزيء مستهدف، ولكن حتى في ذلك الوقت فشلنا في الحصول على إشارة يمكن اكتشافها. كنا بعيدين جداً عن وجهتنا.
التشخيص - جهاز صغير، استجابة ضخمة
لمدة عام قمنا باختبار جميع المتغيرات في نظامنا في محاولة لفهم سبب عدم قدرتنا على اكتشاف عدد أقل من الجزيئات. لقد كان الأمر محبطًا: لم تكن هناك أي خدعة يمكن أن نفكر فيها لجعل الطريقة أكثر حساسية. استسلم بعض الطلاب في المجموعة وطلبوا التحول إلى مواضيع أخرى. أنا أيضًا بدأت أتساءل عما إذا كانت مجموعتي البحثية ستنجو.
ولحسن حظنا، لعبت يد الصدفة لصالحنا. في أحد أيام عام 2004 أجرينا مناقشة حول دراسة أخرى، لا تتعلق بهذا الموضوع ولكن أيضًا تم فيها استخدام أسلاك الذهب، وإن كان على نطاق أصغر بكثير. كان قطر هذه الأسلاك النانوية 10 نانومتر فقط (10 أجزاء من المليار من المتر)، وهو قطر لا يمكنه استيعاب سوى خمسة جزيئات من الحمض النووي. لذلك فقط من أجل المتعة، ولأنه لم ينجح أي شيء آخر، استبدلنا الأسلاك الذهبية التي كنا نستخدمها حتى الآن، والتي يبلغ قطرها ملليمترًا، بأسلاك النانو وقمنا ببعض التجارب السريعة و"القذرة" فقط لمعرفة ما إذا كان أي شيء سينجح يحدث.
وقد حدث شيء ما. جاءت رحيلا غاسبارك، التي كانت آنذاك طالبة ما بعد الدكتوراه في المجموعة، مسرعة إلى مكتبي ممسكة بقطعة من الورق تحمل نتائج التجربة الأولى. زادت الأسلاك النانوية من الحساسية مليون مرة. في البداية أردنا الخروج للاحتفال، ولكن بعد التفكير مرة أخرى أدركنا أننا بحاجة إلى تكرار التجارب وعدنا إلى المختبر. أردنا أن نتأكد من أن ما رأيناه كان حقيقيا. وبالفعل كان كذلك. في تلك اللحظة علمنا أن لدينا طريقة لتحديد موقع تلك الجزيئات الألف التي ستسمح لنا بتشخيص الأمراض.
لماذا أتاحت لنا الأسلاك النانوية استشعار تركيزات أقل بكثير من الحمض النووي؟ يحدث هذا لأن حجم الأسلاك له تأثير كبير على شكلها. عند الانتقال إلى مقياس النانومتر تظهر على الأسلاك نتوءات صغيرة ومدببة لا توجد على سطح الأسلاك الأكبر حجما والتي يعطيها حجمها مساحة سطحية مسطحة وناعمة. عندما يكون جزيء طُعم مرتبطًا بأحد جوانب النتوء وآخر بالجانب الآخر، تكون هناك مساحة حولهما أكبر من قطعة الرخام حول الجزيئات المزدحمة على سطح السلك المسطح الأكبر حجمًا. يمكن للسائل أن يتحرك بسهولة أكبر في هذا الفضاء حاملاً معه الجزيئات المستهدفة. وبالتالي فإن جزيئات الطعم والجزيئات المستهدفة لديها فرصة أكبر للالتقاء والارتباط مع بعضها البعض.
كانت هذه المستشعرات جيدة، لكن الطلاب في المجموعة لم يتمكنوا من صنع سوى عشرة منها يوميًا. وللاستخدام الطبي، سنحتاج إلى الآلاف من أجهزة الاستشعار هذه. ولذلك فعلنا ما فعله كثير من العلماء والمهندسين قبلنا، عندما أرادوا إنتاج العديد من الأجهزة الكهربائية، واتجهنا إلى السيليكون.
التين. منحنيات على مقياس نانومتر
يمكن ربط الأقطاب الكهربائية برقائق مصنوعة من السيليكون ويتم إنتاجها بكميات كبيرة. أردنا أن نأخذ النتوءات النانوية التي تميز أسلاكنا النانوية، تلك النتوءات المدببة التي تعزز الحساسية، ونكررها على مثل هذه الشريحة. وبعد حوالي ستة أشهر وجدنا طريقة جيدة للقيام بذلك باستخدام الطلاء الكهروكيميائي. يمكننا أن نبدأ بوضع هياكل أكبر بمقياس ميكرومتر فوق السيليكون ومن ثم استخدام الطلاء الكيميائي ووضع طبقات أرق من الذهب فوقها. وبدلاً من زراعة أسلاك نانوية، تعلمنا أنه من الأسرع والأسهل إنشاء نوع من القبة الذهبية ذات المسامير العديدة. ومن خلال تثبيت جزيئات الطعم حول المسامير، قمنا بمحاكاة الفصل الناتج عن النتوءات في الأسلاك الأصلية. وكان المفتاح هو التوقيت. إذا استمرت عملية الطلاء لفترة أطول قليلاً من المطلوب، فسوف تنتفخ الهياكل إلى حجم لا يسمح بالاستخدام. ولكن إذا قمت بإيقاف العملية بعد فترة قصيرة من الزمن، فإن الهياكل تصل إلى مقياس نانومتر ويتوقف نموها.
الجملون
في السنوات التي تلت التطوير الأولي، أظهرنا أنه يمكننا استخدام هذه الكاشفات لتحليل علامات البكتيريا المسببة للأمراض المعدية، وأنه يمكننا تحديد وجود أو عدم وجود مثل هذا العامل الممرض في غضون 20 دقيقة. هذه الفترة الزمنية مهمة جدًا لأنه لكي يكون التشخيص في العيادة ناجحًا، من المستحسن أن تصل إجابة الاختبار خلال الوقت المعتاد لزيارة الطبيب. جانب آخر مهم من نهجنا هو ما نسميه "تعدد المهام": القدرة على البحث عن العديد من مسببات الأمراض في نفس الوقت. لقد تمكنا من وضع العديد من القباب الذهبية على سطح رقائقنا وربط كل قبة بنوع مختلف من جزيئات الطعم. وبهذه الطريقة يمكننا تشخيص العديد من أنواع مسببات الأمراض بقطرة من عينة دم واحدة على الشريحة. يمكن لمعظم الأساليب الأخرى اختبار نوع واحد فقط من الحمض النووي لمسببات الأمراض في المرة الواحدة. كانت إحدى دراساتنا الأكثر طموحًا هي اختبار 20 نوعًا من البكتيريا المختلفة في وقت واحد بالإضافة إلى خمس علامات شائعة للحمض النووي لمقاومة المضادات الحيوية. تمكنا من تشخيصهم بدقة 99%.
وفي محاولة لتسويق التكنولوجيا لعيادات الأطباء، قمنا بتأسيس شركة تجارية، Xagenic. قامت الشركة، التي أتولى فيها مسؤولية التكنولوجيا، ببناء جهاز بلاستيكي حول الشريحة الخاصة بنا ودمج كل ما هو ضروري للتشخيص. وسيتم اختبار هذه الأجهزة في التجارب السريرية التي ستبدأ في عام 2016 وسيتم اختبار دقتها في تشخيص اثنين من الأمراض المنقولة جنسيا، الكلاميديا والسيلان. وسيشارك الأطباء ومرضاهم في 20 عيادة في الاختبارات. إذا نجحت التجربة الأولى، فإننا نعتزم تقديم النتائج إلى إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) والحصول على الموافقة لإطلاق منتج تجاري.
نحن نتنافس مع تقنيات النانو الواعدة الأخرى، والمنافسة شرسة. تركز بعض هذه الاختبارات على أنواع معينة من السرطان وتصل إلى مستوى جديد من الدقة. على سبيل المثال، قامت مجموعة تشاد ميركين في جامعة نورث وسترن بتطوير جسيمات الذهب النانوية التي تتفاعل مع الحمض النووي للخلايا السرطانية حتى قبل أن تشكل الخلايا الخطرة الأورام. قام ديفيد والت من جامعة تافتس بتطوير نظام يقوم بإحصاء الجزيئات المستخدمة كعلامات للأمراض ويحدد عدد هذه الجزيئات الموجودة في دم المريض، وهي معلومات قد تكون ضرورية لتشخيص السرطان ومراقبته. لكن كل هذه الأساليب صُممت للاستخدام في مختبرات التشخيص، وليس بالضرورة في عيادات الأطباء.
ولكن هناك أيضًا طرقًا أخرى تركز على التشخيص الفوري، وهي تشق طريقها إلى الطب اليومي. طورت مجموعة روستم إسماجيلوف في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا جهازًا لاسلكيًا يسمى SlipChip، والذي يتيح اكتشاف الحمض النووي دون الحاجة إلى توصيله بمأخذ كهربائي. في أوائل عام 2015، أفاد صامويل سيه وزملاؤه من جامعة كولومبيا في مجلة Science Translational Medicine عن عينة دم صغيرة متصلة بهاتف خلوي تكتشف فيروس نقص المناعة البشرية عن طريق اكتشاف الأجسام المضادة في الدم.
أعتقد أن واحدة أو أكثر من هذه التقنيات، أو تقنية مختلفة تمامًا لا نعرف عنها شيئًا بعد، ستعمل في النهاية بمستوى جيد بما يكفي للاستخدام الطبي اليومي. وبعد ذلك، فإن التفاعلات الكيميائية التي يتم إجراؤها في جهاز يبلغ حجمه جزءًا من مليون أو مليار من المتر ستؤدي إلى تحسين صحة المرضى بما يتجاوز أي نطاق.
تعليقات 4
أثناء المنفى.
تصحيح 1 مللي واط لكل متر مربع. 1,000 مرة أقل. لا يزال هناك قدر كبير من الإشعاع.
بالإضافة إلى أننا تسببنا في أضرار جسيمة لبيئتنا مما تسبب في أمراض لم تكن موجودة من قبل. وعلم مؤخراً أن الأرز والحبوب الأخرى، وخاصة الأرز البري، بسبب قشرته، تزيد فرصة الإصابة بسرطان القولون بنسبة 49%، ليس بسبب الأرز، ولكن بسبب قدرته على تخزين الزرنيخ والمصانع الموجودة فيه أيضاً. آسيا التي تنبعث منها الزرنيخ. هذا هو نوع الغذاء الأساسي. وبالمثل، فإننا نعيش في حمام إشعاعي بقوة لا تقل عن 4 ملليجاوس بتردد 50-60 هرتز وحوالي 1 واط لكل متر مربع عند 2 جيجاهيرتز. عندما وجد أن بعض العائلات في سردينيا تصل أعمارها إلى 100 عام في المتوسط، وبعضها يصل إلى 115 عامًا. هناك أيضًا علم الوراثة هنا، ولكن في هذه الجزيرة يوجد عدد أقل من خطوط الكهرباء، وبالتأكيد ذات الجهد العالي، وعدد أقل من الهوائيات الخلوية، ويوجد ما يصل إلى عاملان وهذا كل شيء. خلاصة القول، إذا سمحوا لنا بأن نعيش حياة صحية، فستكون هناك حاجة إلى تكنولوجيا أقل لعلاجهم.
نحن نعرف ونعرف النبي محمد، وهو فقير جدًا بين جميع الناس، ونرى زيريش وأعدائه، الأفاعي الشريرة، التي تقاتله لسنوات عديدة وتضربه وتضطهده بقسوة فظيعة رهيبة، ولا تجعله على اتصال به أبنائه، وينشرون اسمًا سيئًا وأكاذيبًا عنه ويقاتلون لتدمير حياته، ملائكة الدمار، الذين لا يعرفون سوى السيطرة، ولا يهمهم بأي ثمن، ولهذا نطلب من الجمهور أن يفهم حاله ومساعدته ودعمه، فيحمد شعب إسرائيل العلامات الثلاث في الأيام القديمة، الرحيم ويجازي الإحسان، ويقويه ويخلصه من أعدائه ومن طالبي أذيته.