Glassy Carbon Electrode-Integrated Microfluidic CD Platform for Point-of-Care Detection of SARS-CoV-2 Spike Protein and Prostate-Specific Antigen

في عالم الطب الحديث، تُعد القدرة على تشخيص الأمراض بسرعة ودقة خارج المستشفى هدفاً بالغ الأهمية. لعقود من الزمن، اعتمد الأطباء على آلات ضخمة وثابتة لتحليل عينات الدم، وهي عملية غالباً ما تتطلب إرسال العينات إلى مختبر مركزي والانتظار لأيام للحصول على النتائج. هذا التأخير قد يكون خطيراً عندما يكون الوقت عاملاً حاسماً، كما هو الحال أثناء تفشي فيروس ما أو عند مراقبة مرض بطيء النمو. ولحل هذه المشكلة، توجه العلماء إلى علم الموائع الدقيقة (microfluidics)، وهو مجال مخصص للتحكم في كميات ضئيلة جداً من السوائل على شريحة صغيرة. تخيل مختبراً تم تقليصه ليصبح بحجم عملة معدنية، حيث تُبنى المضخات، والخلاطات، والمستشعرات مباشرة على سطحه. وعند دمج ذلك مع حركة دورانية، تشبه طريقة عمل مشغل الأسطوانات، يمكن لهذه الشرائح استخدام القوة الطاردة المركزية لفصل مكونات الدم دون الحاجة إلى أي أنابيب خارجية أو مضخات كهربائية. هذا النهج، المعروف باسم "المختبر على قرص" (lab-on-a-disc)، يعد بنقل قدرة المختبر الكامل إلى عيادة الطبيب أو قرية نائية، بشرماً أن تكون المستشعرات الموجودة بالداخل حساسة بما يكفي لرصد الإشارات الخافتة للمرض.

وبناءً على هذا المفهوم، طور الباحثان ناريس ماندال وبيدهان برامانيك أداة تشخيصية جديدة تدمج تقنية الموائع الدقيقة الدوارة مع نوع عالي الحساسية من المستشعرات الكهربائية. يركز عملهما، المفصل في دراسة حديثة، على إنشاء جهاز قادر على اكتشاف تهديدين صحيين مختلفين تماماً في نفس الوقت: بروتين "سبايك" (spike protein) الخاص بفيروس سارس-كوف-2، الذي يسبب كوفيد-19، والمستضد النوعي للبروستاتا (PSA)، وهو مؤشر لسرطان البروستاتا. جوهر ابتكاعهما هو قطب كهربائي صغير مصنوع من الكربون الزجاجي، وهي مادة معروفة باستقرارها وقدرتها على توصيل الكهرباء بكفاءة. وخلافاً للمستشعرات التقليدية التي قد تتطلب علامات كيميائية معقدة لتتوهج أو يتغير لونها، يعمل هذا الجهاز عن طريق قياس مدى سهولة تدفق الكهرباء عبر سطحه. فعندما يرتبط مؤشر مرض معين بالمستشعر، فإنه يعمل كحاجز ضئيل، مما يؤدي إلى إبطاء التيار الكهربائي. ومن خلال قياس هذا التغيير، يمكن للجهاز تحديد وجود الفيروس أو مؤشر السرطان بدقة متناهية.

قام الباحثون ببناء هذه المستشعرات باستخدام عملية تتضمن حرق فيلم بلاستيكي خاص في بيئة خاضعة للسيطرة وخالية من الأكسجين. هذه التقنية، التي تسمى "التحلل الحراري" (pyrolysis)، تحول البلاستيك إلى هيكل كربوني صلب يشبه الزجاج ذو نسيج مجهري مثالي لالتقاط مؤشرات الأمراض. ثم قاموا بطلاء هذه الأسطح الكربونية بالأجسام المضادة، وهي بروتينات مصممة لتعمل مثل المغناطيسات الجزيئية، حيث تلتصق فقط بالهدف المحدد الذي تبحث عنه. وبالنسبة لمجموعة واحدة من المستشعرات، استخدموا أجساماً مضادة ترتبط ببروتين "سبايك" الخاص بفيروس سارس-كوف-2؛ وللمجموعة الأخرى، استخدموا أجساماً مضادة ترتبط بالمستضد النوعي للبروستاتا. ولضمان عمل الجهاز بشكل موثوق، أضافوا أيضاً طبقة من ألبومين مصل البقر، وهو بروتين شائع يستخدم لسد أي نقاط لزجة على المستشعر قد تلتقط أشياء غير مقصودة، مما يضمن اكتشاف الأهداف المنشودة فقط.

يكمن الابتكار الحقيقي في كيفية دمج هذه المستشعرات في قرص شفاف مصنوع من البلاستيك. فقد صمم الفريق نظام قنوات للموائع الدقيقة يسمح بوضع قطرة من الدم الكامل على القرص. ومع دوران القرص، تقوم القوة الطاردة المركزية بدفع خلايا الدم الحمراء الأثقل نحو الحافة الخارجية، بينما يبقى البلازما الأخف، والتي تحتوي على مؤشرات المرض، أقرب إلى المركز. يحدث هذا الفصل تلقائياً، دون أي تدخل بشري أو مضخات خارجية. ثم يتدفق البلازما المنفصل فوق مستشعرات الكربون الزجاجي المدمجة في القرص. ولأن المستشعرات حساسة للغاية، يمكنها اكتشاف بروتين "سبايك" الخاص بسارس-كوف-2 بتركيزات منخفضة تصل إلى 0.9844 فمتوغرام/ملل، والمستضد النوعي للبروستاتا بتركيز 0.9682 بيكوغرام/ملل. وتمثل هذه الأرقام كميات ضئيلة للغاية، أقل بك كثيراً مما يمكن للاختبارات القياسية رصده، مما يسمح باكتشاف الأمراض في مراحل مبكرة جداً.

توضح الدراسة أن هذا النظام يمكنه قياس الاستجابة الكهربائية للمستشعرات أثناء تدفق بلازما الدم فوقها، مما يوفر إشارة واضحة عند وجود البروتينات المستهدفة. وقد اختبر الباحثون الجهاز عبر نطاق واسع من التركيزات، من الكميات الضئيلة جداً وصولاً إلى المستويات الأعلى بكثير، ووجدوا أن الاستجابة كانت متسقة وخطية. وهذا يعني أن الجهاز لا يكتشف وجود المؤشر فحسب، بل يمكنه أيضاً تحديد كميته، وهو أمر حيوي لمراقبة تطور العدوى أو السرطان. إن الإعداد بأكمله مكتفٍ ذاتياً، ولا يتطلب مصادر طاقة خارجية لحركة السوائل، مما يجعله مرشحاً مثالياً للاستخدام في نقاط الرعاية في الأماكن التي تفتقر إلى الكهرباء أو المعدات المختبرية المتقدمة.

بينما يركز العمل الحالي على تصنيع واختبار الجهاز باستخدام عينات مُعدة مسبقاً، فإن النتائج تشير إلى مسار قوي نحو الرعاية الصحية اللامركزية. إن الجمع بين مستشعر كربوني قوي وقرص دوار بسيط يخلق منصة منخفضة التكلفة، محمولة، وقادرة على إجراء اختبارات متعددة في آن واحد. ويشير الباحثون إلى أن الخطوات التالية ستتضمن اختبار الجهاز باستخدام عينات دم حقيقية من المرضى لتأكيد أدائه في بيئة سريرية. ومن خلال إثبات أنه يمكن بناء وتشغيل كاشف مزديد الغرض بهذا القدر من الحساسية على قرص صغير، يقدم هذا العمل حلاً ملموساً لجلب قدرات تشخيصية متقدمة إلى أكثر المناطق نأياً ومحدودية في الموارد حول العالم.