An integrated photonic crystal and magnetic bead aggregation technique to enhancement fluorescence on magnetic bead surface for low bead number detection

في الزوايا الهادئة للطب الحديث، يمثل القدرة على إيجاد جزيء واحد من علامة مرضية في محيط شاسع من الدم الفرق بين رصد المرض مبكراً واكتشافه بعد فوات الأوان. لعقود من الزمن، اعتمد العلماء على طريقة تسمى "المقايسة المناعية"، وهي في جوهرها لعبة بحث واستعادة؛ حيث يستخدمون جزيئات متخصصة وصغيرة تعمل مثل المغناطيس لجذب بروتينات معينة، مثل تلك التي يفرزها الجسم عندما يحارب عدوى أو سرطاناً. وبمجرد أن تمسك هذه الجزيئات بالبروتين المستهدف، يتم وسمها بمادة كيميائية متوهجة تضيء تحت المجهر، مما يكشف عن وجود البروتين. ومع ذلك، عندما تكون كمية بروتين المرض ضئيلة للغاية -صغيرة جداً لدرجة أنها توجد في نطاق البيكوغرام، أو أجزاء من تريليون من الغرام- غالباً ما يكون التوهج خافتاً جداً بحيث لا يمكن رؤيته، مما يترك الاختبار أعمى عن العلامات الأولى للمرض. ولحل هذه المشكلة، لجأ الباحثون إلى أداتين متميزتين: القوى المغناطيسية لتجميع الجزيئات في كتلة متراصة، وسطح خاص يمكنه تضخيم الضوء الذي تنبعث منه.

قام فريق من الباحثين في جامعة "تشياو تونغ" الوطنية في تايوان بدمج هذين النهجين في نظام واحد متكامل مصمم لرؤية ما لا يُرى. يركز عملهم على اكتشاف بروتين "إنترلوكين-1 بيتا" لدى الفئران، وهو بروتين يعمل كعلامة للالتهاب، باستخدام تقنية يسمونها PCMAFLUID. تجمع هذه الطريقة بين تقنية تجميع الحبيبات المغناطيسية وسطح البلورة الفوتونية. الحبيبات المغناطيسية هي كرات صغيرة يبلغ قطرها ستة ميكرومترات، مغلفة بأجسام مضادة تمسك بالبروتين المستهدف. وعند وضع مغناطيس بالقرب من السائل الذي يحتوي على هذه الحبيبات، فإنه يسحبها معاً لتشكل كومة كثيفة، مما يؤدي إلى تركيز الإشارة. الجزء الثاني من النظام هو البلورة الفوتونية، وهي سطح مزين بتجاويف مجهرية. تم تصميم هذا النمط ليتناغم مع أطوال موجية محددة من الضوء، تماماً كما يهتز وتر الغيتار عند نغمة معينة. وعندما يصطدم الضوء المستخدم لجعل الحبيبات تتوهج بهذا السطح المنقوش، يقوم السطح بتضخيم الضوء، مما يجعل الحبيبات تلمع بشكل أقوى بكثير مما لو كانت على شريحة زجاجية عادية.

اختبر الباحثون هذا النظام من خلال إنشاء إعدادين مختلفين لمعرفة أيهما يعمل بشكل أفضل. في الإعداد الأول، استخدموا شريحة زجاجية قياسية، والتي كانت بمثابة مجموعة ضابطة. وفي الإعداد الثاني، استخدموا شريحة مصنوعة من سطح البلورة الفوتونية. ثم أدخلوا عينات تحتوي على بروتين (mouse IL1β) بتركيزات مختلفة، تتراوح من المستويات العالية نزولاً إلى المستويات المنخفضة للغاية الموجودة في المراحل المبكرة من المرض. بعد ذلك، استخدموا مغناطيساً لسحب الحبيبات المغناطيسية على سطح الشريحة وقاسوا شدة التوهج الناتجة باستخدام مجهر صُمم خصيصاً لهذا الغرض. أظهرت النتائج أن مجرد تجميع الحبيبات باستخدام المغناطيس أحدث فرقاً كبيراً؛ ففي الشريحة الزجاجية القياسية، أدى سحب الحبيبات معاً إلى زيادة سطوع الإشارة بنحو سبع إلى تسع مرات مقارنة عندما كانت الحبيبات مبعثرة. وقد أكد ذلك أن تركيز الحبيبات يساعد المجهر على رؤيتها بوضوح أكبر.

ومع ذلك، جاء الاختراق الحقيقي عندما قارنوا بين الشريحة الزجاجية وسطح البلورة الفوتونية. فعندما تم تجميع الحبيبات على البلورة الفوتونية، كان تأثير التضخيم أكثر دراماتيكية. وجد الباحثون أن الجمع بين السحب المغناطيسي والسطح المضخم للضوء سمح لهم باكتشاف البروتين بتركيزات منخفضة تصل إلى 0.0001 بيكوغرام لكل ميليلتر. في المقابل، على الشريحة الزجاجية القياسية، اختفت إشارة البروتين تقريباً بمجرد انخفاض التركيز إلى 0.01 بيكوغرام لكل ميليلتر. وهذا يعني أن التقنية الجديدة يمكنها اكتشاف البروتين بمستوى أقل بمائة مرة من الطريقة القياسية. وعندما حلل الفريق قوة الإشارة عند هذه الحدود القابلة للكشف، حسبوا أن تقنية البلورة الفوتونية عززت إشارة الفلورة بأكثر من ألف ضعف مقارنة بالشريحة الزجاجية وحدها.

لفهم مدى قوة ذلك، قام الباحثون بتكبير الصورة على حبيبة مغناطيسية واحدة. فقد قاسوا الضوء الصادر من حبيبة واحدة على الشريحة الزجاجية وقارنوه بحبيبة واحدة على البلورة الفوتونية. كانت الحبيبة على السطح الخاص أكثر سطوعاً بإحدى عشرة مرة من تلك الموجودة على الزجاج. وأثبت هذا أن التعزيز لم يكن مجرد نتيجة لوجود المزيد من الحبيبات في مكان واحد، بل إن السطح نفسه كان يجعل كل حبيبة فردية تتوهج بكثافة أكبر. كما أشارت الدراسة إلى أنه بينما ساعد التجميع المغناطيسي في جميع المستويات، كانت البلورة الفوتونية ضرورية لرؤية أدنى التركيزات؛ فبدون البلورة، كانت الإشارة الناتلة عن أصغر كميات البروتين تضيع في الضجيج الخلفي.

خلص الباحثون إلى أنه من خلال دمج تجميع الحبيبات المغناطيسية مع سطح البلورة الفوتونية، نجحوا في إنشاء أداة يمكنها دفع حدود الكشف إلى ما هو أبعد بكثير مما كان ممكناً في السابق. هذه التقنية لا تكتفي فقط بجعل الإشارة الموجودة أعلى صوتاً، بل إنها تغير بشكل جذري حساسية الاختبار، مما يسمح بالكشف عن علامات المرض عند مستويات كانت غير قابلة للكشف سابقاً. وبينما أُجريت الدراسة باستخدام بروتينات الفئران، يشير المؤلفون إلى إمكانية تكييف هذا النهج لاكتشاف العلامات الحيوية للأمراض البشرية وعلامات السرطان في مراحلها المبكرة. ومن خلال جعل أخفت التوهجات مرئية، يفتح هذا الأسلوب مساراً جديداً لتشخيص الأمراض قبل أن تتاح لها الفرصة للنمو، محولاً الإشارة المجهرية إلى إجابة واضلة وقابلة للقياس.