نانوجولد يكتشف المرض في 15 دقيقة: ناس ريد يقرأ مئات الجزيئات في قطرة دم

وصفت شركة ACS Nano اختبارًا تشخيصيًا محمولًا يُسمى NasRED ( كشف إلكتروني سريع مدعوم بالجسيمات النانوية ): يستخدم هذا الاختبار جسيمات نانوية ذهبية وقراءة كهروضوئية للكشف عن المستضدات والأجسام المضادة للعدوى بتركيزات منخفضة للغاية - حتى مستوى دون الفيمتومولار/الأتومولار. أظهر اختبار كوفيد-19 دقة في التمييز بينه وبين أنواع العدوى الأخرى، وبلغت مدة الاستجابة حوالي 15 دقيقة، وبلغت تكلفة الاختبار حوالي دولارين. ووفقًا للباحثين، فإن حساسية الاختبار أعلى بحوالي 3000 مرة من حساسية اختبار الإليزا، ويتطلب عينة أقل بمقدار 16 مرة، والنتيجة أسرع بمقدار 30 مرة.

خلفية

• لماذا نعود إلى تشخيصات نقطة الرعاية وكيف نقيس نجاحها ؟ في الممارسة العملية، هناك حاجة إلى اختبارات نقطة الرعاية (في الموقع، سريعة، رخيصة) التي تلبي معايير ASSURED/REASSURED: بأسعار معقولة، حساسة، محددة، سهلة الاستخدام، سريعة/متينة، بدون معدات/بسيطة، مُسلّمة بالإضافة إلى اتصال آني وسهولة في جمع العينات. لا تزال معظم الاختبارات المنزلية لا تغطي جميع النقاط، وخاصةً حساسية "S". ومن هنا يأتي التسابق على أساليب توفر مستوى حساسية مختبري دون الحاجة إلى مختبر.
• حيث تتعثر الكلاسيكيات.
  • تعتبر شرائط LAT (اختبارات المستضد) سريعة ورخيصة، ولكن الحساسية ضد تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) معتدلة وتعتمد بشكل كبير على الحمل الفيروسي/وقت المرض؛ حتى أفضل الأدوات غالبًا ما تفشل في الوصول إلى حساسية "المختبر".
  • اختبار ELISA دقيق، ولكنه يتطلب كواشف، وغسالات/قارئات، وحضانات - وهذا يستغرق ساعات ومختبرًا؛ أما الإصدارات "المحسّنة" الحالية فتُخفّض الحدود، ولكن على حساب تعقيد البروتوكول. تُشكّل هذه العوامل عوائق للفحص الميداني.
• لماذا جسيمات الذهب النانوية؟ تُعدّ جسيمات الذهب النانوية العمود الفقري للمستشعرات الحيوية: فهي تتميز باستجابة بلازمونية واضحة (تغيرات في الامتصاص/التشتت عند التجمع أو عند تغير البيئة)، وكيمياء سطحية ملائمة لارتباط البروتين/الأبتامر، واستقرار جيد. هذا يسمح بإنشاء اختبارات يتم فيها تحويل رابط "الجزيء المُحلَّل ↔ الجسيم النانوي" إلى إشارة بصرية/إلكترونية دون الحاجة إلى بصريات معقدة.
• قراءة كهروضوئية/إلكترونية كخطوة متقدمة. يكمن سر تقنية PoC في تبسيط عملية الكشف: فبدلاً من أجهزة قياس الطيف الضوئي الكبيرة، استخدم مصباح LED + مستشعر ضوئي/إلكتروني بسيط، واقرأ التغير في الشفافية/التشتت أو "استقرار" الجسيمات النانوية الوظيفية عند ارتباطها بالهدف. توفر هذه الأنظمة نطاقًا ديناميكيًا واسعًا ووقت استجابة سريعًا مع الحفاظ على حدود كشف منخفضة. وهنا يأتي دور NasRED.
• لماذا من المهم رؤية كلٍّ من المستضدات والأجسام المضادة؟ بالنسبة للعدوى في مراحلها المختلفة، تُعدّ بعض الأهداف أكثر إفادة من غيرها: المستضد للعدوى النشطة المبكرة، والأجسام المضادة لحقيقة العدوى السابقة/الحالية مع التحول المصلي، أو تقييم الاستجابة المناعية. المنصات التي تُعيد التأهيل بشكل معياري من المستضدات إلى الأجسام المضادة (والعكس) تتوسع بشكل أسرع لمسببات الأمراض/المهام الجديدة.
• في سياق هذه المقالة تحديدًا ، في عرض توضيحي لفيروس كورونا المستجد-2 (SARS-CoV-2)، أظهر جهاز NasRED اكتشاف مستويات دون الفيمتومامول من المستضدات/الأجسام المضادة في غضون 15 دقيقة تقريبًا من عينة ميكروية (حوالي 6 ميكرولتر)، وتمييزًا دقيقًا لفيروس كوفيد-19 عن غيره من الأمراض المعدية. ويُزعم أن هذه المنصة قابلة للتكيف مع السموم وعلامات الأورام، وما إلى ذلك. وهذا يُسهّل عملية الكشف المبكر عن الفيروس في المختبرات من حيث الحساسية والسرعة. والنتيجة هي إمكانية الكشف المبكر في ظل انتشار منخفض وفي بيئات محدودة الموارد.
• لكن فرط الحساسية ينطوي أيضًا على مخاطر. فكلما انخفضت العتبة، زادت متطلبات النقاء، ومراقبة التفاعلات المتصالبة، وإدارة النتائج الإيجابية الكاذبة. لذلك، يتطلب كل "هدف" جديد على المنصة عمليات تحقق سريرية منفصلة واختبارات إجهاد لتأثيرات المصفوفة (الدم، واللعاب، والبلعوم الأنفي) واستقرار المواد الاستهلاكية في سلاسل التوريد الفعلية.
• لماذا يُعد هذا اتجاهًا منطقيًا لتطور الاختبارات ؟ لقد تعلم هذا المجال بالفعل "كسر" حواجز البيكومولار (ELISA الرقمي، وتنسيقات LF المُحسّنة)، ولكن في كثير من الأحيان على حساب معدات باهظة الثمن وبروتوكولات معقدة. تسعى منصات AuNP ذات القراءة الإلكترونية البسيطة إلى الجمع بين الحساسية الفائقة والأجهزة الرخيصة - وهو ما تتطلبه معايير ASSURED/REASSURED تمامًا.

كيف يعمل هذا

• تُغلَّف جزيئات الذهب النانوية بجزيئات تمييز. للبحث عن بروتين فيروسي، تُستخدم الأجسام المضادة؛ وللتقاط أجسام المريض المضادة، تُستخدم المستضدات الفيروسية.
• تُضاف هذه الجسيمات إلى عينة صغيرة (قطرة دم/لعاب/سائل أنفي). إذا احتوت العينة على هدف، تلتصق معظم الجسيمات النانوية ببعضها وتستقر في قاع الأنبوب. أما إذا لم يكن هناك هدف، فيبقى المُعلق عكرًا.
• يُمرر الجهاز شعاعًا من الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) عبر سطح السائل، ويقيس مستشعر إلكتروني كمية الضوء المار: كلما زادت كمية الضوء، سقط الجسيمات، ما يعني وجود هدف. كل ذلك دون الحاجة إلى أجهزة بصرية ضخمة أو تحضير معقد للعينات.

ما الذي تم عرضه بالضبط في العمل الجديد

• كوفيد-19: كشف NasRED بدقة عن مستضدات وأجسام مضادة لفيروس SARS-CoV-2 في مستويات تفشل فيها الطرق التقليدية، وميّز كوفيد-19 عن غيره من الأمراض. في الاختبارات الرطبة التي أجريت على جزيئات فيروس كورونا الكاملة، كانت الحساسية مماثلة لاختبار Abbott ID NOW (وهو اختبار جزيئي شائع)، ولكن مع ميزة في السرعة والبساطة.
• عتبة الكشف: رفع الفريق الحساسية إلى نطاق الأتومولار (مثال من البيان الصحفي: "قطرة حبر في 20 حمام سباحة أولمبي"). يُشدد عنوان المقال على مستوى دون الفيمتومولار.
• الوحدات النمطية: يمكن إعادة برمجة نفس المنصات النانوية "الفارغة" بسرعة لأهداف أخرى، من الإشريكية القولونية (سم الشيغا) إلى علامات الأورام وبروتينات الزهايمر؛ وقد تمكن النموذج الأولي لهذه التكنولوجيا في السابق من التقاط فيروس الإيبولا من كميات صغيرة من الدم.

لماذا هذا مهم؟

• فحص بجودة المختبر - بدون الحاجة إلى المختبر. من الاحتياجات الصحية المُلِحّة إجراء فحص سريع ودقيق ومنخفض التكلفة في نقطة الرعاية الصحية. يُسهّل NasRED عملية الفحص بين الشرائط السريعة والمختبرات "الثقيلة": حوالي دولارين للفحص، وحوالي 15 دقيقة، مع الحد الأدنى من المعدات والتدريب. يُعدّ هذا أمرًا بالغ الأهمية في ظروف العمل الميداني والمناطق ذات الموارد المحدودة.
• الكشف المبكر بانتشار منخفض. عندما تكون الحالات قليلة (في حالات تفشي مبكرة، أو في مجموعات معرضة لخطر الإصابة بفيروس نقص المناعة البشرية/التهاب الكبد الوبائي سي، أو داء البوريليا)، فإن إطلاق سلاسل مختبرات غير مربح، ولا يخضع المرضى ببساطة للفحص. يتيح لك اختبار نقطة الرعاية فائق الحساسية البحث عن إبرة في كومة قش، وإجراء ذلك فورًا.

كم هو هذا "أفضل من المعيار"؟

يقدم المؤلفون مقارنات: حساسية أعلى بنحو 3000 مرة من اختبار الإليزا، وحجم عينة أصغر بنحو 16 مرة، وزمن استجابة أسرع بنحو 30 مرة؛ وفي التركيزات المطلقة، مئات الجزيئات في أقل من ميكرولتر، "أكثر حساسية بنحو 100,000 مرة من الاختبارات المعملية القياسية" (تقدير من إصدار مؤسسي). تشير هذه الأرقام إلى معايير في ظل ظروف الدراسة وتتطلب التحقق الخارجي.

ما هو واضح بالفعل بشأن "نقاط الألم"

• في الوقت الحالي، يتطلب تحضير العينة أجهزة طرد مركزي/خلاطات صغيرة الحجم؛ ويعمل الفريق على التصغير والأتمتة، بهدف الحصول على حجم الجيب بالكامل، وربما اختبار منزلي.
• إن العالمية المذكورة (وحدات لأمراض مختلفة) ممتازة على الورق، ولكن بالنسبة للعيادة، هناك حاجة إلى تجارب سريرية منفصلة لكل هدف تحليلي (فيروس نقص المناعة البشرية، وفيروس التهاب الكبد سي، والبوريليا، وما إلى ذلك) مع اختبار التفاعلات المتصالبة، واستقرار الكواشف، وجودة سلسلة التوريد.

أين يمكن أن يذهب هذا؟

في المستقبل المنظور، سيبدو NasRED بمثابة منصة: جهاز واحد + ملحقات استشعار قابلة للاستبدال للمؤشر المطلوب. إذا تأكدت إمكانية التعديل، فقد يُسرّع هذا النهج من نشر الاختبارات في حالات تفشي المرض الجديدة، ويُوسّع نطاق تشخيص نقاط الرعاية في العيادات وأقسام الطوارئ والنقاط المتنقلة، وحتى في الفرق المتنقلة للمجموعات التي يصعب الوصول إليها.

المصدر: تشوي واي وآخرون. الكشف السريع والإلكتروني المدعوم بالجسيمات النانوية عن الأجسام المضادة والمستضدات لفيروس كورونا المستجد (SARS-CoV-2) على مستوى تحت الفمتومول. ACS Nano، نُشر في ١١ أغسطس ٢٠٢٥. https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12083