An ingestible bioelectronic capsule for in vivo DNA monitoring in the gastrointestinal tract
تقدم هذه الدراسة كبسولة إلكترونية حيوية قابلة للبلع، مدمجة بنظام CRISPR/Cas قائم على الورق يتيح الكشف غير الجراحي وفي الوقت الفعلي عن تسلسلات محددة من الحمض النووي، مثل تلك الخاصة ببكتيريا السالمونيلا (Salmonella) والملوية البوابية (Helicobacter pylori)، مباشرة داخل الجهاز الهضمي للتغلب على قيود طرق التشخيص التقليدية خارج الجسم.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تُعد معدة الإنسان بيئة حمضية قاسية مصممة لتفكيك الطعام، لكنها أيضاً مكان يمكن أن تختبئ فيه البكتيريا الخطيرة وتتكاثر قبل أن تتمكن من الجسم من محاربتها. عندما يحتاج الأطباء لمعرفة ما إذا كان المريض يعاني من عدوى معينة، فإنهم عادةً ما ينتظرون حتى يطرد الجسم الأدلة في البراز أو يقومون بخزعة جراحية تداخلية. هذه العملية تستغرق وقتاً، وفي ذلك التأخير، يمكن للمادة الوراثية التي تتركها البكتيريا خلفها أن تتحلل أو تصبح مخففة جداً بحيث يصعب العثور عليها، تماماً مثل محاولة قراءة رسالة تُرِكت في المطر. وبالنسبة للعديد من أمراض الجهاز الهضمي، فإن انتظار الجسم لغسل الأدلة يعني تفويت العلامات المبكرة والأكثر قابلية للعلاج للمشكلات الصحية.
ولحل هذه المشكلة، طور فريق من الباحثين جهازاً صغيراً قابلاً للبلع يعمل كمختبر متنقل داخل المعدة. فبدلاً من انتظار الجسم ليطرد عينة، يذهب هذا الكبسول إلى المصدر، ويجمع عينة طازجة من سوائل المعدة، ويحللها بحثاً عن تسلسلات محددة من الحمض النووي (DNA) في المكان الذي تحدث فيه العدوى تماماً. يجمع الجهاز بين مستشعر ورقي وعقل إلكتروني صغير؛ حيث تُعالج الورقة بأدوات بيولوجية خاصة يمكنها التعرف على البصمة الوراثية الفريدة للبكتيريا المستهدفة. وعندما يتم العثور على الحمض النووي للبكتيريا، تضيء الورقة بتوهج خافت. ويرى الجزء الإلكتروني من الكبسولة هذا الضوء، ويحوله إلى إشارة رقمية، ثم يرسلها لاسلكياً إلى هاتف ذكي خارج الجسم. وهذا يتيح للطبيب معرفة ما إذا كان هناك مسبب مرض معين موجود فوراً، دون انتظار انتقال العينة عبر الجهاز الهضمي بأكمله.
احتاج الباحثون أولاً إلى إثبات أن انتظار عينة البراز يمثل مشكلة بالفعل. فقد اختبروا مدى قدرة الحمض النووي البكتيري على البقاء في ظروف المعدة. وفي تجاربهم، وجدوا أنه في غضون ساعات قليلة فقط، بدأت المادة الوراثية من بكتيريا مثل "السالمونيلا" في التحلل بشكل ملحوظ. وعندما أطعموا البكتيريا للفئران والكلاب ثم انتظروا لاختبار فضلاتها، كانت الإشارة الوراثية غالباً قد اختفت أو أصبحت ضعيفة جداً لدرجة يستحيل معها اكتشافها. ومع ذلك، عندما فحصوا سوائل المعدة مباشرة بعد دخول البكتيريا، كانت المعلومات الوراثية واضحة وقوية. وقد أكد هذا أن لاكتشاف هذه العدوى مبكراً، يجب أن يتم الاختبار داخل المعدة، وليس بعد خروج الفضلات من الجسم.
لبناء جهاز قادر على القيام بذلك، صنع الفريق كبسولة بحجم حبة فيتامين كبيرة تقريباً، يبلغ طولها 35 ملم وعرضها 14 ملم. وفي الداخل، قاموا بتثبيت مضخة صغيرة لشفط سوائل المعدة وغرفة لحمل شريط من الورق المعالج خصيصاً. هذا الشريط الورقي هو قلب نظام الكشف؛ فهو مقسم إلى مناطق مختلفة متصلة بقنوات دقيقة. عندما تدخل سوائل المعدة إلى المنطقة الأولى، تلتقي بإنزيمات تعمل على تكسير أي بكتيريا، مما يؤدي إلى إطلاق حمضها النووي. ثم يتدفق السائل إلى منطقة ثانية حيث يتم نسخ الحمض النووي مرات عديدة ليسهل العثور عليه. وأخيراً، يصل إلى منطقة ثالثة تحتوي على نظام يعتمد على تقنية "كريسبر" (CRISPR)، والتي تعمل مثل محرك بحث عالي الدقة للحمض النووي. فإذا وجد النظام الشفرة الوراثية المحددة للبكتيريا المستهدفة، فإنه يحفز تفاعلاً كيميائياً ينتج ضوءاً.
اختبر الباحثون هذا النظام في المختبر أولاً، حيث أظهروا قدرته على اكتشاف السالمونيلا في سائل معدة محاكى بدقة عالية. ثم انتقلوا إلى الحيوانات الحية، بما في ذلك الكلاب والخنازير، التي تمتلك أجهزة هضمية مشابهة جداً للبشر. وفي هذه الاختبارات، تم توجيه الكبسولة إلى المعدة باستخدام منظار داخلي. وبمجرد دخولها، قامت بجمع السائل وإجراء الاختبار. نجح الجهاز في اكتشاف وجود البكتيريا المستهدفة في معدات الكلاب والخنازير، وأرسل النتائج إلى جهاز كمبيوتر خارج الجسم. ومن الأهمية بمكان أن الجهاز لم يجد البكتيريا في فضلات هذه الحيوانات، رغم وجودها في المعدة، مما يعزز فكرة أن الانتظار حتى عملية الإخراج يؤدي إلى فقدان الإشارة.
ولجعل الجهاز جاهزاً للاستخدام البشري، أضاف الفريق ميزة أمان: وهي حبل رفيع صالح للاستهلاك الغذني متصل بالكبسولة. يسمح هذا للأطباء بسحب الكبسولة من المعدة بعد انتهاء الاختبار، بدلاً من انتظار مرورها طبيعياً. وقد اختبروا طريقة الاسترداد هذه على الخنازير وأكدوا أنها تعمل بأمان. وأخيراً، نقلوا التكنولوجيا خطوة أقرب إلى العيادات عبر اختبارها على عينات بشرية حقيقية؛ حيث جمعوا سوائل معدة من خمسة عشر متطوعاً كان يتم فحصهم بحثاً عن بكتيريا "هيليكوباكتر بيلوري" (Helicobacter pylori)، وهي بكتيريا معدة شائعة. طابقت نتيجة الاختبار القائم على الكبسولة نتائج الاختبارات الطبية القياسية لمعظم المتطوعين. كما أظهرت الدراسة أنه إذا تُرِكت هذه العينات البشرية في الخارج لبضع ساعات قبل الاختبار، فإن القدرة على اكتشاف البكتيريا تنخفض بشكل كبير، مما يثبت أكثر قيمة الاختبار الفوري داخل الجسم.
بينما يظهر الجهاز وعداً كبيراً، يشير الباحثون إلى أنه ليس مثالياً بعد. فالتفاعلات الكيميائية داخل الكبسولة تعمل بشكل أفضل لفترة زمنية محدودة، عادة حوالي 40 دقيقة، قبل أن تبدأ أحماض المعدة القاسية في التدخل في عمل الإنزيمات. كما أقروا بأن المستشعرات الورقية تحتاج إلى أن تُصنع بشكل أكثر اتساقاً لضمان أن يعمل كل اختبار بنفس الطريقة تماماً. ورغم هذه العقبات، توضح الدراسة نموذجاً أولياً يعمل لنظام يمكنه مراقبة الصحة الوراثية للأمعاء من الداخل. ومن خلال نقل المختبر إلى داخل المعدة، تقدم هذه التكنولوجيا طريقة جديدة لرصد العدوى مبكراً، مما قد يغير كيفية تشخيص أمراض الجهاز الهضمي وإدارتها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.