مارك لورتش، جامعة هال

كان للانتقال إلى العمل من المنزل تحدياته بالنسبة لنا جميعاً، ولكن عندما تتضمن وظيفتك البحث عن تطبيقات بيولوجية لتقنية النانو، تكون هذه التجارب أكثر تعقيداً من التوفيق بين استخدامات النطاق العريض (broadband) في المنزل. فإذا تم منعك من دخول مختبره، فقد تتوقع بشكل معقول أن البحث الذي أجراه الكيميائي العضويفيتوريو ساجيومو، من مجموعة بايونانوتكنولوجي (Bionanotechnology) في جامعة Wageningen & Research في هولندا، قد توقف تماماً.

لكن Saggiomo هو من النوع الخلاق والخيالي، ولذا بدأ يتساءل عما إذا كان بإمكانه تحويل الأجهزة المنزلية الشائعة إلى الاستخدام الجيد في مكافحة COVID-19. وبشكل أكثر تحديداً، هل يمكنه ابتكار اختبار منزلي رخيص وشديد الحساسية للفيروس؟ واتضح أنه يستطيع ذلك لقد نشر فريقه الفكرة الآن على خادم ما قبل مراجعة الخبراء (preprint server)، ChemArxiv. إن الورقة لم تتم مراجعتها بعد من قبل علماء آخرين.

في الوقت الحالي، هناك نوعان رئيسيان من اختبار COVID-19:اختبار PCR واختبار التدفق الجانبي (LFT). يتحقق اختبار PCR القياسي الذهبي من وجود الفيروس عن طريق الكشف عن مادته الوراثية المعروفة باسم RNA. ولكن هناك كميات صغيرة متلاشية من المواد الفيروسية في المسحة، لذلك يجب تحويل المادة إلى حمض نووي وتضخيمها قبل اكتشافها. ويتحقق ذلك من خلال “تفاعل البلمرة المتسلسل“، وهو ما يرمز إليه بـ PCR.

وتتضمن العملية دورات متكررة عبر مجموعة من درجات الحرارة بين 50 درجة مئوية و 90 درجة مئوية. وخلال كل دورة، تتضاعف كمية الحمض النووي، لذلك بعد 30 دورة، يمكن إنشاء أكثر من مليار نسخة من المادة الفيروسية من خيط واحد فقط من مادة البداية. ثم يتم الكشف عن المادة المضخمة بملصقات الفلورسنت التي تربط نفسها بتسلسل الحمض النووي الفيروسي.

وعلى هذا النحو، تعد تقنية تفاعل البوليميراز المتسلسل تقنية حساسة للغاية، ولكنها تحتاج إلى مواد ومعدات متخصصة لأداءها. وهذا هو سبب إرسال الاختبارات إلى المختبر، ويستغرق الحصول على النتيجة يوماً أو يومين.

الاختبار الشائع الثاني هو اختبار التدفق الجانبي (LFT). وهذا يعمل عن طريق الكشف عن فتات غلاف البروتين الفيروسي. حيث يتم تضمين شرائط LFTs أجسام مضادة ترتبط بالفيروس. إن هذه الأجسام المضادة يتم تمييزها بجزيئات ذهبية صغيرة تظهر باللون الأحمر، مما يسمح لك برؤيتها على جهاز الاختبار. وتتراكم الأجسام المضادة في نطاقات مختلفة على LFT اعتماداً على ما إذا كان الفيروس موجوداً أم لا.

إن طريقة LFTs سريعة ورخيصة وسهلة الاستخدام، مما يجعلها مثالية للاختبار المجتمعي والمنزلي. لكنها ليست بأي شكل قريبة من الحساسية مثل اختبارات تفاعل البوليميراز المتسلسل PCR – فهي ستحدد فقط الأشخاص ذوي الكميات الفيروسية العالية وهذا يعني أن العديد من الأشخاص المصابين سيحصلون على نتيجة سلبية خاطئة من هذه الاختبارات.

اختبارات كوروناسبيرسو CoroNaspresso

من الناحية المثالية، نحتاج إلى اختبار منزلي سهل الاستخدام مثل اختبار LFT ولكنه حساس مثل اختبار تفاعل البوليميراز المتسلسل PCR . إن المرشح الممتاز لذلك هو طريقة تسمى تضخيم متساوي الحرارة بوساطة الحلقة (Loop -mediated Isothermal Amplification (LAMP)) وتعمل هذه وفقاً لمبادئ مشابهة جداً لمبادئ تفاعل البوليميراز المتسلسل PCR، وتنتج نسخاً متعددة من المادة الوراثية الأولية – والتي يمكنك الحصول عليها من المسحة – ولكن لها بعض المزايا الرئيسية.

فعلى سبيل المثال، يمكن دمجها مع “قراءات ملونة” سهلة الاستخدام. عندما يحدث تفاعل LAMP، فإنه يتسبب في زيادة حموضة العينة. وهذا يعني أنه يمكنك إضافة مادة يتغير لونها وفقاً لقيمة قوة الهيدروجين pH في مزيج التفاعل، مما يوفر مؤشراً مرئياً لنتيجة إيجابية أو سلبية. وميزة أخرى هي أن تفاعلات (LAMP) تتم عند درجة حرارة ثابتة (حوالي 65 درجة مئوية) بدلاً من الحاجة إلى دوران ثابت عبر مجموعة من درجات الحرارة.

ومع ذلك، لا يزال تفاعل (LAMP) بحاجة إلى تحكم دقيق في درجة الحرارة. وعادة ما يتم تحقيق أنظمة التحكم في درجة الحرارة – سواء كانت في جهاز PCR أو أداة (Lamp) أو الفرن المنزلي – باستخدام منظمات الحرارة الإلكترونية. ومع ذلك، فإن صنع وشحن الأجهزة الإلكترونية الجديدة المصممة خصيصاً لاختبارات (Lamp) المنزلية أمر غير عملي (خاصة في خضم الجائحة). لذا حاول (ساجيومو) إيجاد طريقة للتغلب على ذلك فلقد اكتشف مواد تسمى مواد تغيير الطور (phase change materials) التي تمتص الطاقة (الحرارة) أثناء ذوبانها وبالتالي تحافظ على درجة حرارة ثابتة.

وبعد العثور على شمع مصنوع من مادة تذوب عند درجة الحرارة المطلوبة بالضبط، شرع ساجيومو في بناء جهاز لإيواء أنابيب تفاعل (Lamp) وكتل الشمع. ثم يلزم إدخال هذا في بعض المواد الأخرى التي يمكن تسخينها. وتبين أن الايواء المثالي كان يسطع امام وجهه أثناء صنع قهوة الصباح: كبسولات آلة صنع قهوة نسبريسو.

وكانت الخطوة الأخيرة هي إيجاد الطريقة الصحيحة لتسخين الكبسولات. فبعد تجربة غسالة الصحون (نجحت لكن العينات استمرت في الضياع)، فرن الميكروويف (فشل، لأن الأنابيب كانت ساخنة للغاية وانفجرت الأغطية) وأكواب مليئة بالماء الساخن (لا يوجد تحكم كافٍ في درجة الحرارة)، استقر ساجيومو على مقلاة بسيطة من الماء المغلي على الموقد. زكان الناتج جهاز “CoroNaspresso”، عند اختباره بواسطة أعضاء آخرين في الفريق، باستخدام مسحات من ستة أشخاص، حدد بشكل صحيح ثلاث حالات من COVID-19 (كان لهذه الاختبارات لون مختلف عن الاختبارات السلبية).

إن الاختبار، بما في ذلك الكبسولات والشمع المتغير الطور والقوارير التي يتم فيها إدخال المادة الوراثية، سيكون من السهل إنتاجه بالملايين. يمكن للناس بعد ذلك مسح المواد الجينية في المنزل وتسخين الكبسولات للحصول على نتائجها. إن هذه الأجهزة رخيصة أيضاً (حوالي 0.20 يورو)، سهلة الصنع وسهلة الاستخدام وقابلة لإعادة التدوير إلى حد كبير. ربما سنرى اختبارات CoroNespresso في منازلنا قريباً، فقط لا تخلط بينها وبين كبسولات القهوة العادية.

مارك لورتش، أستاذ العلوم في الاتصالات والكيمياء، جامعة هال

يتم إعادة نشر هذه المقالة من شبكة The Conversation تحت ترخيص المشاع الإبداعي. قراءة المادة الأصلية.