חוקרים פיתחו שבב ביולוגי שיכול לסרוק במהירות וביעילות אלפי מולקולות ולזהות מביניהן מחוללי מחלה אפשריים, מנגיפים ורעלנים ועד סוגים שונים של סרטן
מגפת הקורונה המחישה לכולנו עד כמה חשוב לאתר במהירות את החולים ולקטוע את שרשרות ההדבקה. בשל כך הושקעו מאמצים רבים בפיתוח בדיקות שנותנות תוצאות מהירות ומדויקות. כאשר מדובר בחשיפה לחיידקים ולנגיפים אלימים או לרעלנים, שהם חומרים רעילים המופרשים על ידי אורגניזמים ועלולים בנסיבות מסוימות לגרום נזק חמור ומסכן חיים, החשיבות גדולה פי כמה וכמה. כאשר חולה מאובחן בשלב מוקדם אפשר לטפל בו במהירות, לצמצם את הנזק ולהעלות משמעותית את סיכויי ההחלמה. זה נכון גם כשמדובר באבחון מוקדם של מגוון מחלות קשות כמו סרטן.
כדי לעזור בזיהוי מוקדם, צוות מדענים ומהנדסי חומרים מאוניברסיטאות בשווייץ ובארצות הברית פיתח שבב ביולוגי חדשני בגודל סנטימטר רבוע שיכול לזהות בדגימה, בתוך חמש דקות, מאות אלפי מולקולות שונות שמעידות על נוכחות מחלה.
צוות מדענים ומהנדסי חומרים פיתח שבב ביולוגי חדשני שיכול לזהות בתוך דקות מאות אלפי מולקולות שונות שמעידות על נוכחות מחלה. השבב הניסיוני | מתוך המאמר Hu, J. et al,. Nat Commun 14, 4486 2023
שבב מציל חיים
השיטה העיקרית שמשמשת היום לאבחון מחלות זיהומיות ברמת רגישות גבוהה מבוססת על זיהוי של רצפי חומצות גרעין של גורם המחלה החשוד. דוגמה אחת לבדיקות כאלו היא בדיקות ה-PCR שמתבצעות במעבדה לאבחון קורונה. בשלבים מוקדמים של המחלה, הריכוז של המחולל, הנגיף או החיידק, הוא נמוך מאוד, ולכן, לפני ביצוע הבדיקה צריך להגביר את כמות החומר הגנטי שבדגימה ולשכפל אותו למספר רב של עותקים. כאשר אין חשוד מסוים כגורם למחלה ולכן צריך לזהות גורם לא ידוע, קובעים את הרצף של מיליוני מקטעים של DNA בדגימה, ובעזרת מחשוב משווים בין הרצפים שנמצאו לרצפים של מחוללי מחלה ידועים. תהליכים אלו נמשכים מספר ימים ודורשים מכשור מתקדם וחומרים יקרים. כתוצאה מכך התשובה והטיפול הנכון מתעכבים וסיכויי ההחלמה פוחתים.
מחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת Nature Communications, מציע פתרון חדשני בגישה ננו-טכנולוגית. החוקרים בנו שבב שגודלו סנטימטר רבוע, ומונחות עליו מאות אלפי קופסאות סיליקון זעירות, כשרוחבה של כל אחת מהן 160 ננומטר (מיליונית המילימטר), אורכה 600 ננומטר וגובהה 500 ננומטר. לכל קופסת סיליקון הם קשרו מקטע של DNA סינתטי חד-גדילי, כלומר צד אחד של הסליל הכפול, המשמש גלאי. אם בדגימה הנבדקת קיים מקטע בעל רצף משלים לזה שעל השבב, כלומר, מכיל את הצד השני של הסליל, שני הגדילים המשלימים יתחברו זה לזה על גבי קופסת הסיליקון. כאשר מקרינים את השבב מלמטה באור באורך גל תת-אדום, הקופסאות ממקדות את האור בעזרת ננו-אנטנות על פני השטח העליון שלהן ואורך הגל של האור שנפלט מהן משתנה בהתאם למולקולה שנקשרה. המיקוד מאפשר לחוקרים למדוד בעזרת מיקרוסקופ את השינויים שחלו באורך הגל שיוצא מכל קופסת סיליקון, ולזהות את המולקולה שבדגימה.
החוקרים בנו שבב שעליו מונחות מאות אלפי קופסאות סיליקון זעירות, לכל אחת קשור DNA חד-גדילי המשמש כגלאי. אילוסטרציה של מבנה השבב | מתוך המאמר Hu, J. et al,. Nat Commun 14, 4486 2023
יעיל בזיהוי נגיף קורונה
החוקרים יצרו שבב שמכיל רצפים של נגיף קורונה וכדי לבדוק אותו, הם טבלו את השבב בתמיסה שהכילה מקטעים גנטיים שונים של נגיף קורונה. בתהליך שנמשך חמש דקות בלבד הם זיהו את השינוי שחל באורך הגל שנפלט מכל קופסה. השיטה הייתה יעילה גם כאשר הדגימות הכילו ריכוזים מזעריים של חומר גנטי, כפי שמצויים בדרך כלל בדגימות אף של אנשים שנדבקו בקורונה.
החוקרים סבורים כי לשבב שפיתחו יש פוטנציאל לשפר את מהירות ודיוק האבחון של מחלות רבות, והוא עשוי גם לסייע בהערכת חומרת המחלה, נתון שיעזור לרופא לקבוע את אופי הטיפול. בנוסף למהירות, ליעילות ולפשטות של השיטה, ניתן בעזרת שבב בודד לבדוק בו-זמנית אלפים של מולקולות שונות. לכן, החוקרים פועלים כעת עם חברה מסחרית כדי ליישם את הטכנולוגיה לבדיקות קליניות למחלות נוספות, שלא נגרמות על ידי חיידקים או נגיפים. למשל, לקשור לקופסאות הסיליקון נוגדנים שמזהים רמות זעירות של חלבונים ומולקולות אחרות שאי אפשר להגביר בקלות, ומופיעים בשלבים ראשונים של מחלת הסרטן. בנוסף, שבב כזה יוכל לשמש ככלי יעיל, מדויק, מהיר וזול בבדיקות רחבות היקף של דגימות סביבה, כמו זיהוי רעלנים בדגימות מים, או בבדיקות סקר לאבחון מוקדם של מחלות קשות.
