تست‌های خانگی دقیق‌تر می‌شوند

راه‌‌حلی نوین ممکن است به شکل یک فناوری جدید و کم‌هزینه حسگر زیستی باشد که می‌تواند تست‌های سریع خانگی را تا صدبرابر نسبت به ویروس‌هایی مانند کووید ــ ۱۹ حساس‌تر کند. این آزمایش که توسط محققان دانشگاه کالیفرنیا، برکلی ابداع شده است، یک فرآیند تبخیر طبیعی به نام «اثر حلقه قهوه» را با پلاسمونیک و هوش‌مصنوعی ترکیب می‌کند تا نشانگرهای زیستی بیماری را با دقت قابل‌توجهی تنها در عرض چند دقیقه تشخیص دهد. این فناوری در مطالعه‌ای که اخیرا در مجله Nature Communications منتشر شده، شرح داده شده است. کامیار بهروزی، که به‌تازگی مدرک دکترای خود را در رشته سیستم‌های میکروالکترومکانیکی و نانومهندسی از دانشگاه برکلی دریافت کرده است، گفت: «این تکنیک ساده اما مؤثر می‌تواند در مقایسه با روش‌های تشخیصی سنتی، نتایج بسیار دقیقی را در کسری از زمان ارائه دهد. کار ما راه را برای تشخیص‌های مقرون‌‌به‌‌صرفه‌تر و در دسترس‌تر، به‌‌ویژه در مناطق کم‌درآمد، هموار می‌کند.»
 
«اثر حلقه قهوه» و کاربرد آن در حسگرهای زیستی
اگر به هر لکه قهوه از نزدیک نگاه کنید، ممکن است متوجه شوید که خطوط بیرونی لکه بسیار تیره‌تر از قسمت داخلی آن است. این به‌دلیل پدیده‌ای فیزیکی به‌نام «اثر حلقه قهوه» است.هنگامی که یک قطره مایع تبخیر می‌شود، جریانی ایجاد می‌کند که ذرات معلق را به سمت لبه قطره هل می‌دهد. اگر ذرات رنگدانه داشته باشند، همان‌طور که در قهوه وجود دارد، لکه حاصل در اطراف لبه، تیره‌تر از وسط آن خواهد بود. به بیان ساده‌تر اثر حلقه قهوه به پدیده‌ای اشاره دارد که در آن ذرات معلق در یک قطره مایع، هنگام تبخیر، به سمت لبه‌های قطره حرکت کرده و الگویی حلقه‌مانند ایجاد می‌کنند. این الگو، که درزندگی روزمره هنگام خشک‌شدن یک قطره قهوه روی‌سطح دیده می‌شود،دراین فناوری برای تجمع و تحلیل بیومارکرهای بیماری در نمونه‌های بیولوژیکی (مانند بزاق یا خون) استفاده می‌شود. در سال ۲۰۲۰، بهروزی در حال توسعه یک حسگر زیستی برای تشخیص کووید ــ ۱۹ بود که متوجه شد قطرات محلول آزمایشی او هنگام خشک‌شدن، لکه‌های حلقه‌ای شکل از خود به‌جا می‌گذارند. او متوجه شد که این اثر حلقه‌ای قهوه‌ای می‌تواند برای متمرکزکردن آسان ذرات ویروس کووید ــ ۱۹مورد استفاده قرار گیرد و به‌طوربالقوه تشخیص آنها راآسان‌تر کند.بهروزی گفت:«ما متوجه شدیم که می‌توانیم از این اثر حلقه قهوه برای ساختن حسگری حتی بهتر از آنچه در ابتدا قصد ایجاد آن را داشتیم استفاده کنیم.»
 
نقش و اهمیت نانوذرات پلاسمونیک
این فناوری جدید تست‌های سریع از ذرات ریزی به‌نام نانوذرات پلاسمونیک استفاده می‌کند که به روش‌های منحصربه‌فردی با نور تعامل دارند. برای انجام آزمایش، کاربر ابتدا یک قطره مایع حاوی پروتئین‌های مرتبط با بیماری (مانند نمونه گرفته‌شده از مخاط بینی) را به یک غشا اضافه می‌کند. با خشک‌شدن قطره، هرگونه نشانگر زیستی بیماری (بیومارکر) در حلقه قهوه متمرکز می‌شود. سپس کاربر قطره دوم حاوی نانوذرات پلاسمونیک را که برای چسبیدن به نشانگرهای زیستی بیماری مهندسی شده‌اند، اضافه می‌کند. اگر نشانگرهای زیستی وجود داشته باشند، نانوذرات در الگوهای خاصی جمع می‌شوند که نحوه تعامل نور با غشا را تغییر می‌دهد. این تغییر را می‌توان با چشم یا با استفاده از یک برنامه تلفن هوشمند مبتنی بر هوش‌مصنوعی تشخیص داد. این فناوری در کمتر از ۱۲دقیقه نتیجه می‌دهد و در تشخیص کووید ــ ۱۹، صدبرابر حساس‌تر از آزمایش‌های مشابه است. ترکیب اثر حلقه قهوه با پلاسمونیک، که شامل استفاده از نانوذرات فلزی برای تقویت سیگنال‌های نوری است، امکان شناسایی حتی مقادیر ناچیز بیومارکرها را فراهم می‌کند. داده‌های به‌‌دست‌‌آمده سپس با استفاده از الگوریتم‌های هوش‌مصنوعی تحلیل می‌شوند تا نتایج دقیقی ارائه شود.
 
تشخیص زودهنگام سایر بیماری‌ها
این فناوری نه‌تنها برای تشخیص کووید‌ــ‌۱۹، بلکه برای شناسایی زودهنگام سرطان و سایر بیماری‌های جدی نیز کاربرد دارد. به‌عنوان‌مثال می‌تواند بیومارکرهای مرتبط با انواع خاصی از سرطان را در مراحل اولیه، زمانی که انواع درمان‌ها مؤثرتر هستند، شناسایی کند. این قابلیت به‌‌ویژه برای افرادی که به امکانات پزشکی پیشرفته دسترسی ندارند، اهمیت زیادی دارد؛ زیرا تست‌های خانگی می‌توانند شکاف‌های موجود در مراقبت‌های بهداشتی را پر کنند. لیوی لین، نویسنده ارشد این مطالعه و استاد برجسته مهندسی مکانیک در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، گفت: «یکی از پروتئین‌های کلیدی که ما می‌توانیم با این روش تشخیص دهیم، نشانگر زیستی سپسیس است، یک پاسخ التهابی تهدیدکننده زندگی به عفونت باکتریایی که می‌تواند به‌سرعت در افراد بالای۵۰ سال ایجاد شود. دراین بیماری، هرساعت حیاتی است. اما کشت باکتری برای تعیین منبع عفونت می‌تواند چند روز طول بکشد. فناوری ما می‌تواند به پزشکان کمک کند تا سپسیس را تنها در۱۰تا ۱۵ دقیقه تشخیص دهند.»

مزایا و چالش‌‌های فناوری جدید تست‌های خانگی
محققان نمونه اولیه‌ای از یک کیت آزمایش خانگی، مشابه کیت‌های آزمایش کووید خانگی ساخته‌اند که شامل اجزای چاپ سه‌بعدی برای کمک به هدایت محل قرارگیری نمونه و قطرات ریز پلاسمونیک است. لین گفت: «در طول همه‌گیری کووید ــ ۱۹، ما برای اطلاع از ابتلا یا عدم‌ابتلا به این بیماری به تست‌های خانگی متکی بودیم. امیدوارم فناوری ما، غربالگری منظم بیماری‌هایی مانند سرطان پروستات را بدون نیاز به خروج از خانه، برای افراد آسان‌تر و در دسترس‌تر کند.»
مزایای این فناوری شامل سرعت، هزینه کم و سهولت استفاده است. کاربران می‌توانند نمونه‌ای از بزاق یا خون خود را روی یک کیت آزمایش قراردهندونتایج ظرف چند دقیقه از طریق یک اپلیکیشن موبایل یا دستگاه خوانش‌گر نمایش داده می‌شود.این روش همچنین نیاز به تجهیزات پیچیده آزمایشگاهی راکاهش می‌دهدوامکان غربالگری گسترده‌تر رافراهم می‌کند.
بااین‌حال، چالش‌هایی نیز وجود دارد. برای تجاری‌سازی این فناوری، نیاز به تاییدیه‌های نظارتی و آزمایش‌های بالینی گسترده است تا دقت و ایمنی آن در شرایط واقعی تایید شود. علاوه‌براین، آموزش کاربران برای استفاده صحیح از کیت‌ها و تفسیر نتایج نیز ضروری است.
درمجموع، این فناوری نویدبخش تحولی در تشخیص زودهنگام بیماری‌هاست و می‌تواند به بهبود دسترسی به مراقبت‌های بهداشتی و کاهش بار بیماری‌ها در سطح جهانی کمک کند.