اختبار كوفيد-١٩ الجديد يستخدم كاميرا هاتف ذكي وتقنية كريسبر الوراثية – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

New COVID-19 Test Uses a Smartphone Camera and CRISPR Genetic Technology
 (GLADSTONE INSTITUTES – بواسطة معاهد غلادستون)

تخيل أن تمسح أنفك، وتضع المسحة في الجهاز، وتحصل على قراءة على هاتفك خلال ١٥ إلى ٣٠ دقيقة تخبرك إذا كنت مصابًا بفيروس كوفيد-١٩. كانت هذه هي الرؤية لفريق من العلماء في معاهد غلادستون [٢] بجامعة كاليفورنيا في بيركلي (UC Berkeley) ، وجامعة كاليفورنيا في مدينة سان فرانسيسكو (UCSF). والآن، أبْلَغُوا عن اختراق علمي يجعلهم أقرب إلى جعل هذه الرؤية حقيقة واقعة.

وتتمثل إحدى العقبات الرئيسية أمام مكافحة جائحة الكوفيد-١٩ وإعادة فتح المجتمعات بالكامل في جميع أنحاء البلاد في توفر الاختبارات السريعة الجماعية. ومن شأن معرفة المصاب أن يوفر رؤى قيمة حول الانتشار المحتمل للفيروس وتهديده لواضعي السياسات والمواطنين على حدٍ سواء.

ومع ذلك، يتعين على الأشخاص، في كثير من الأحيان، الانتظار عدة أيام للحصول على نتائجهم، أو حتى لفترة أطول عندما يكون هناك تراكم في اختبارات المعمل. ويزداد الوضع سوءًا بسبب حقيقة أن معظم المصابين لديهم أعراض خفيفة أو ليست لديهم أعراض، مع أنهم لا يزالون يحملون الفيروس وينشرونه.

وفي دراسة جديدة نُشرت في المجلة العلمية الخلية (Cell) ، حدد فريق من معاهد غلادستون بجامعة كاليفورنيا في بيركلي (UC Berkeley) ، وجامعة كاليفورنيا في مدينة سان فرانسيسكو (UCSF) ، تقنية الاختبار القائم على كريسبر لكوفيد-١٩ الذي يستخدم كاميرا الهاتف الذكي لتقديم نتائج دقيقة في أقل من ٣٠ دقيقة.

وتقول الدكتورة ميلاني أوت، دكتوراه في الطب، مديرة معهد جلادستون لعلم الفيروسات وأحد قادة الدراسة: “لقد كانت مهمة ملحة للمجتمع العلمي ليس فقط زيادة الاختبارات، ولكن أيضًا لتوفير خيارات اختبار جديدة” ، وتابعت: “الفحص الذي طورناه يمكن أن يوفر اختبارًا سريعًا ومنخفض التكلفة للمساعدة في التحكم في انتشار كوفيد-١٩”.

وتم تصميم هذه التقنية بالتعاون مع البروفيسور دانييل فليتشر (Daniel Fletcher)، أستاذ الهندسة الحيوية بجامعة كاليفورنيا في بيركلي، وكذلك الدكتورة جينيفر دودنا (Jennifer Doudna) ، وهي باحثة أولى في جلادستون، أستاذة في جامعة كاليفورنيا بيركلي، ورئيس معهد الجينوم المبتكر، ومحقق في معهد هوارد هيوز الطبي. وقد فازت الدكتورة دودنا مؤخرًا بجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2020 لاكتشافها المشترك لتعديل الجينوم كريسبر-كاس (CRISPR-Cas) ، وهي التكنولوجيا التي يقوم عليها هذا العمل.

ولا يمكن للاختبار التشخيصي الجديد أن يولد نتيجة إيجابية أو سلبية فحسب، بل يقيس أيضًا الحمل الفيروسي (أو تركيز فيروس كورونا (SARS-CoV-2) ، الفيروس الذي يسبب كوفيد-١٩ (COVID-19) في عينة معينة. ويقول البروفيسور فليتشر: “عندما يقترن قياس الحمل الفيروسي بالاختبار المتكرر، فإنه يمكن أن يساعد في تحديد ما إذا كانت العدوى تتزايد أو تتناقص” ، وتابع: “يمكن أن تساعد مراقبة مسار عدوى المريض أخصائيي الرعاية الصحية على تقدير مرحلة العدوى والتنبؤ، في الوقت الفعلي، بالمدة التي يحتمل أن تكون مطلوبة للتعافي”.

اختبار أبسط من خلال الكشف المباشر

تستخدم اختبارات كوفيد-١٩ الحالية طريقة تسمى بي آر سي الكمي (quantitative PCR) [٣] – المعيار الذهبي للاختبار. ومع ذلك، فإن إحدى المشكلات المتعلقة باستخدام هذه التقنية لاختبار فيروس كورونا هي أنها تتطلب الحمض النووي. فيروس كورونا هو أحد أنواع فيروس الحمض النووي الريبي (RNA virus) ، مما يعني أنه لاستخدام نهج تفاعل البوليميريز المتسلسل، يجب أولاً تحويل الحمض النووي الريبي الفيروسي إلى الحمض النووي. بالإضافة إلى ذلك، تعتمد هذه التقنية على تفاعل كيميائي من خطوتين، بما في ذلك خطوة تضخيم لتوفير ما يكفي من الحمض النووي لجعله قابلاً للاكتشاف. لذلك، تحتاج الاختبارات الحالية عادةً إلى مستخدمين مدربين وكواشف متخصصة ومعدات معملية مرهقة، مما يقيد بشدة أين يمكن إجراء الاختبار، ويسبب تأخيرًا في تلقي النتائج.

وكبديل لتفاعل البوليميريز المتسلسل، يقوم العلماء بتطوير استراتيجيات اختبار تعتمد على تقنية كريسبر لتعديل الجينات، والتي تتفوق – على وجه التحديد – في تعريف المواد الجينية. وتطلبت جميع تشخيصات كريسبر حتى الآن تحويل الحمض النووي الريبي الفيروسي إلى الحمض النووي وتضخيمه قبل اكتشافه، مما يضيف الوقت والتعقيد. وفي المقابل، فإن النهج الجديد الموصوف في هذه الدراسة يتخطى جميع خطوات التحويل والتضخيم، باستخدام كريسبر للكشف المباشر عن الحمض النووي الريبي الفيروسي.

وتقول الدكتورة دودنا: “أحد أسباب سعادتنا بالتشخيصات القائمة على تقنية كريسبر هو إمكانية الحصول على نتائج سريعة ودقيقة عند الحاجة؛ هذا مفيد بشكل خاص في الأماكن المحدودة في التمكن من الفحص، أو عند الحاجة إلى إجراء اختبارات سريعة ومتكررة، ويمكن أن ينهي الكثير من الإعاقات التي رأيناها مع كوفيد-١٩”.

وكانت باريناز فوزوني، طالبة الدراسات العليا في جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو، تعمل في مختبر الدكتورة أوت في جلادستون، على نظام الكشف عن الحمض النووي الريبي لفيروس نقص المناعة البشرية خلال السنوات القليلة الماضية. ولكنها قررت هي وزملاؤها تحويل تركيزهم إلى كوفيد-١٩ في كانون الثاني (يناير) ٢٠٢٠ ، عندما أصبح من الواضح أن الفيروس التاجي أصبح مشكلة أكبر على مستوى العالم، وأن الاختبار كان بمثابة مأزق محتمل.

وتقول فوزوني، المؤلف الأول المشارك للورقة، جنبًا إلى جنب مع سونغمين صن (Sungmin Son)  وماريا دياز دي ليون دربي (María Díaz de León Derby) من فريق البروفيسور فلتشر في جامعة كاليفورنيا في بيركلي: “كنا نعلم أن الاختبار الذي كنا نطوره سيكون مناسبًا منطقيًا لمساعدة الأزمة من خلال السماح بإجراء اختبار سريع بأقل قدر من الموارد، وبدلاً من بروتين كريسبر المعروف باسم كاس٩ (Cas9) ، والذي يتعرف على الحمض النووي ويشقه، استخدمنا كاس١٣ (Cas13) ، الذي يشق الحمض النووي الريبي”.

ويتم دمج بروتين كاس١٣ في الاختبار الجديد، مع جزيء مراسل يصبح متوهجًا عند قطعه، ثم يخلط مع عينة مريض من مسحة أنف. ويتم وضع العينة في جهاز متصل بهاتف ذكي. فإذا كانت العينة تحتوي على الحمض النووي الريبي من فيروس الكورونا، فسيتم تنشيط بروتين كاس١٣ وسيقطع جزيء المراسل، مما يتسبب في انبعاث إشارة الفلورسنت. وبعد ذلك، يمكن لكاميرا الهاتف الذكي، التي تم تحويلها أساسًا إلى مجهر، اكتشاف التألق والإبلاغ عن اختبار مسحة الفيروس ايجابية.

“ما يجعل هذا الاختبار فريدًا حقًا هو أنه يستخدم رد فعل من خطوة واحدة لاختبار الحمض النووي الريبي الفيروسي مباشرةً، بدلاً من العملية المكونة من خطوتين في اختبارات تفاعل البوليميريز المتسلسل التقليدية” ، كما تقول الدكتور أوت ، وتضيف: “الكيمياء الأبسط ، مقترنة بكاميرا الهاتف الذكي، تقلل من وقت الاكتشاف ولا تتطلب معدات معملية معقدة، كما تسمح للاختبار بإعطاء قياسات كمية بدلاً من مجرد نتيجة إيجابية أو سلبية”.

ويقول الباحثون أيضًا أن مقاييسهم يمكن تكييفها مع مجموعة متنوعة من الهواتف المحمولة، مما يسهل الوصول إلى التكنولوجيا.

ويوضح البروفيسور فليتشر: “لقد اخترنا استخدام الهواتف المحمولة كأساس لجهاز الكشف لدينا نظرًا لوجود واجهات مستخدم سهلة الاستخدام وكاميرات شديدة الحساسية يمكننا استخدامها للكشف عن التألق” ، مضيفا: “الهواتف المحمولة أيضًا منتجة بكميات كبيرة وفعالة من حيث التكلفة، مما يدل على أن أدوات المختبر المتخصصة ليست ضرورية لهذا الفحص”.

نتائج دقيقة وسريعة للحد من الجائحة

عندما اختبر العلماء أجهزتهم باستخدام عينات من المرضى، أكدوا أنه يمكن أن يوفر، في وقت سريع للغاية، نتائج العينات ذات الأحمال الفيروسية ذات الصلة سريريًا. وفي الواقع، اكتشف الجهاز بدقة مجموعة من العينات الإيجابية في أقل من ٥ دقائق. وبالنسبة للعينات ذات الحمل الفيروسي المنخفض، يحتاج الجهاز إلى ٣٠ دقيقة لتمييزه عن الاختبار السلبي.

وتقول الدكتورة أوت: “تشير النماذج الحديثة من فيروس كورونا إلى أن الفحص المتكرر مع وقت استجابة سريع هو ما نحتاجه للتغلب على الوباء الحالي، ونأمل أنه مع زيادة الاختبارات، يمكننا تجنب عمليات الإغلاق وحماية السكان الأكثر ضعفًا”.

ولا يوفر الاختبار الجديد المستند إلى كريسبر فقط خيارًا واعدًا للاختبار السريع، ولكن باستخدام الهاتف الذكي وتجنب الحاجة إلى معدات المختبرات الضخمة، فإنه من الممكن أن يصبح قابلاً للنقل وأن يصبح متاحًا في نهاية المطاف لنقاط الرعاية أو حتى في الاستخدام المنزلي. ويمكن أيضًا توسيعه لتشخيص فيروسات الجهاز التنفسي الأخرى بأبعد من فيروس الكورونا.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الحساسية العالية لكاميرات الهواتف الذكية، جنبًا إلى جنب مع إمكانية الاتصال ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وإمكانيات معالجة البيانات، جعلت منها أدوات جذابة لتشخيص الأمراض في المناطق منخفضة الموارد.

وتقول الدكتورة أوت: “نأمل في تطوير فحصنا إلى جهاز يمكنه تحميل النتائج فورًا إلى الأنظمة المستندة الى (المرتبدطة بـ) السحابة (cloud-based systems)، مع الحفاظ على خصوصية المريض، وهو أمر مهم لتتبع جهات الاتصال والدراسات الوبائية” ، وتتابع: “يمكن أن يلعب هذا النوع من الاختبارات التشخيصية المعتمدة على الهاتف الذكي دورًا مهمًا في السيطرة على الأوبئة الحالية والمستقبلية”.

*تمت الترجمة بتصرف

تم دعم البحث من قبل المعاهد الوطنية للصحة (منحة NIAID 5R61AI140465-03 ومنحة NIDA 1R61DA048444-01) ؛ برنامج المعاهد الوطنية للصحة للتعجيل السريع للتشخيص (RADx) ؛ المعهد القومي للقلب والرئة والدم ؛ المعهد الوطني للتصوير الطبي الحيوي والهندسة الحيوية ؛ وزارة الصحة والخدمات الإنسانية (المنحة رقم 3U54HL143541-02S1) ؛ وكذلك من خلال الدعم الخيري من: (Fast Grants) و (James B. Pendleton Charitable Trust) و (The Roddenberry Foundation) والعديد من المتبرعين الأفراد. وأصبح هذا العمل ممكنًا أيضًا بفضل هدية سخية من متبرع خاص مجهول لدعم اتحاد تشخيص (ANCeR).

المصدر:

https://scitechdaily.com/new-covid-19-test-uses-a-smartphone-camera-and-crispr-genetic-technology/

المرجع: ” Amplification-free detection of SARS-CoV-2 with CRISPR-Cas13a and mobile phone microscopy ” بقلم باريناز فوزوني وآخرون، ٤ ديسمبر ٢٠٢٠ ، نشرة الخلية (Cell):

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31623-8.

الهوامش:

[١] تشير كلمة كريسبر “CRISPR” إلى “مجموعات من التكرارات القصيرة المتواترة المتباعدة بانتظام”. إنها منطقة متخصصة من الحمض النووي ذات خاصيتين مميزتين: وجود النوكليوتيدات المتكررة والفواصل. ويتم توزيع التسلسلات المتكررة للنيوكليوتيدات – اللبنات الأساسية للحمض النووي – في جميع أنحاء منطقة كريسبر. أما الفواصل فهي عبارة عن أجزاء من الحمض النووي تتخللها هذه التتابعات المتكررة. وتعد تقنية كريسبر أداة بسيطة لكنها قوية لتعديل الجينوم، تسمح للباحثين بسهولة تغيير تسلسل الحمض النووي وتعديل وظيفة الجينات. وتشمل التطبيقات المحتملة العديدة لهذه التقنية تصحيح العيوب الوراثية وعلاج الأمراض ومنع انتشارها وتحسين المحاصيل. للمزيد: راجع الرابط:

https://www.livescience.com/58790-crispr-explained.html

[٢] معاهد جلادستون (Gladstone Institutes) هي منظمة أبحاث طبية حيوية مستقلة غير ربحية ينصب تركيزها على فهم أفضل ووقاية وعلاج أمراض القلب والأوعية الدموية والفيروسات والعصبية مثل قصور القلب وفيروس نقص المناعة البشرية / الإيدز ومرض الزهايمر. يدرس باحثوها هذه الأمراض باستخدام تقنيات العلوم الأساسية والبحث التحليلي. وهناك تركيز آخر في جلادستون هو البناء على تطوير تقنية الخلايا الجذعية المحفزة من قبل أحد محققيها، البروفيسور شينيا ياماناكا الحائز على جائزة نوبل عام ٢٠١٢ ، لتحسين اكتشاف الأدوية والطب الشخصي وتجديد الأنسجة. وقد تأسست معاهد جلادستون في عام ١٩٧٩ كمنشأة بحثية وتدريب مقرها في مستشفى سان فرانسيسكو العام. وتحت قيادة روبرت ماهلي (Robert Mahley) – عالم القلب والأوعية الدموية الذي تم تجنيده من المعاهد الوطنية للصحة – تم إطلاق المعاهد بضمان ٨ ملايين دولار من المطور العقاري التجاري الراحل، جيه ديفيد جلادستون (J. David ) Gladstone). للمزيد: راجع ويكيبيديا

[٣] تفاعل البوليميريز المتسلسل في الوقت الفعلي (real-time polymerase chain reaction – PCR)، والمعروف أيضًا باسم تفاعل البوليميريز المتسلسل الكمي (quantitative PCR) ، هو تقنية معملية للبيولوجيا الجزيئية تعتمد على تفاعل البوليميريز المتسلسل (PCR). وتراقب تضخيم جزيء الحامض النووي (DNA) المستهدف أثناء تفاعل البوليميريز المتسلسل (أي في الوقت الفعلي) ، وليس في نهايته ، كما هو الحال في تفاعل البوليميريز المتسلسل التقليدي. ويمكن استخدام تفاعل البوليميريز المتسلسل في الوقت الحقيقي كميًا وشبه كمي (أي أعلى / أقل من كمية معينة من جزيئات الحمض النووي). ويكيبيديا.