تشخیص ایدز در نیم‌ساعت با 2 دلار

دکتر هادی شفیعی، از محققان دانشگاه هاروارد و عضو هیات علمی این دانشگاه موفق به طراحی و ساخت یک میکروچیپ کاغذی شده است که در هر مرحله‌ای از ابتلا به بیماری ایدز، می‌تواند از طریق شمارش تعداد ویروس‌های HIV در خون، این بیماری را در مدت کمتر از 30 دقیقه تشخیص دهد. این ویژگی علاوه بر تشخیص سریع بیماری به پزشک کمک می‌کند روند درمان را زیر نظر داشته باشد. این طرح ابتکاری که به عنوان یکی از سه طرح تحقیقاتی برگزیده دانشگاه هاروارد انتخاب شده بود در نهایت با رای مردم به عنوان طرح برگزیده سال انتخاب شد. با دکتر هادی شفیعی درباره این طرح تحقیقاتی گفت‌وگو کرده‌ایم.

ایده اولیه برای ساخت چنین دستگاهی چگونه شکل گرفت؟

در سال‌های اخیر ساخت دستگاه‌های ارزان قیمت برای تشخیص زودهنگام بیماری‌های عفونی مانند ایدز در بسیاری از مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی دنیا مورد توجه قرار گرفته است. در این روش تشخیصی تعداد ویروس‌هایی که در خون وجود دارد، شمارش می‌شود. در حقیقت تعداد ویروس‌ها نشانگر مهمی برای تشخیص بیماری‌های ویروسی است. علاوه بر این در مراحل بعدی یعنی پس از تشخیص بیماری و شروع روند درمان باید تعداد ویروس‌ها در خون به طور مرتب اندازه گیری شود تا مطمئن شویم روند درمان موثر بوده است.

در کشورهای توسعه یافته اندازه‌گیری بررسی اثرگذاری روند درمان هر سه ماه یک‌بار انجام می‌شود. در کشورهای در حال توسعه با توجه به شرایط موجود در این کشورها بررسی روند درمان در بیماران هر شش ماه یک بار انجام می‌شود. روش‌هایی که در تشخیص بیماری ایدز مورد استفاده قرار می‌گیرد بسیار گران‌قیمت است و باید در آزمایشگاه انجام شود. علاوه بر این لازم است یک متخصص این کار را انجام دهد. اما مشکل اصلی اینجاست که در کشورهای در حال توسعه مانند کشورهای آفریقایی امکانات لازم برای انجام این کارها بر اساس یک برنامه زمان بندی شده مشخص وجود ندارد. در این کشورها مشکلات و محدودیت‌هایی در زمینه تامین منابع مالی، نیروی متخصص و امکانات بیمارستانی وجود دارد که یکی از بزرگ‌ترین محدودیت‌ها در زمینه بیماری‌هایی مانند بیماری ایدز است. دستگاه کوچکی که ما برای تشخیص ایدز طراحی کرده‌ایم در مدت بسیار کوتاه و فقط از طریق یک قطره خون فرد بیمار تشخیص بیماری را امکان پذیر می‌کند. استفاده از این دستگاه به متخصص نیازی ندارد و از نظر عملکرد شبیه به دستگاه تست قند خون است. در حقیقت ایده اصلی برای طراحی و ساخت این ریزتراشه از اینجا شکل گرفت که در نهایت به عنوان برترین طرح تحقیقاتی دانشگاه برگزیده شد.

جایزه در نظر گرفته شده برای طرح برگزیده سال دانشگاه هاروارد چه بود؟

دانشگاه برای طرحی که به عنوان برترین پروژه تحقیقاتی سال برگزیده می‌شود مبلغ صدهزار دلار (حدود 350 میلیون تومان) جایزه در نظر گرفته بود.

این جایزه در حقیقت برای انجام تحقیقات اختصاص پیدا می‌کند. انجام این طرح تحقیقاتی و تجاری سازی آن مستلزم صرف هزینه است که این جایزه می‌تواند بخشی از هزینه موردنیاز برای این کار را تامین کند. یعنی این طور نیست که این جایزه صدهزار دلاری به صورت نقدی اهدا شود؛ بلکه به حساب بانکی دانشگاه واریز می‌شود و ما می‌توانیم برای خرید تجهیزات و لوازم مورد نیاز برای تحقیق و پرداخت حقوق محققانی که در اجرای این پروژه با ما همکاری دارند از این جایزه استفاده کنیم.

اساس عملکرد میکروچیپ طراحی شده چیست؟

در این روش ما به کمک آنتی‌بادی ویروس‌ها را از نمونه خون گرفته شده از افراد جدا می‌کنیم. در مرحله بعد به روش مشابه روش الایزا (ELIZA) به اصطلاح نمونه را می‌شوییم تا ویروس‌ها از آنتی بادی جدا شوند. ویروس‌های جداسازی شده کروی شکل هستند. سطح این ویروس‌ها را پاره می‌کنیم تا مولکول‌ها و DNA موجود در آن از این جسم کروی خارج شود. از آنجا که مولکول‌ها و محتوای خارج شده از ویروس بار الکتریکی دارد با خارج شدن آن ویژگی‌ها و خواص الکتریکی نمونه تغییر پیدا می‌کند. به زبان ساده‌تر در این روش خواص الکتریکی نمونه بعد از خروج محتویات داخلی ویروس اندازه‌گیری می‌شود. میزان بار الکتریکی و مقاومت ایجاد شده در نمونه و تغییرات ایجاد شده در آن به عنوان یک سیگنال در این روش مورد استفاده قرار می‌گیرد. هرچه تعداد ویروس‌های بیشتری در نمونه وجود داشته باشد تغییرات سیگنال‌ها بیشتر است و این ریز تراشه طراحی شده برای تشخیص بیماری نیز بر همین اساس عمل می‌کند. یعنی براساس تغییرات الکتریکی ایجاد شده تعداد ویروس‌ها را اندازه‌گیری می‌کند.

یکی از مشکلاتی که در زمینه تشخیص بیماری ایدز وجود دارد این است که شاید این بیماری در مراحل اولیه قابل تشخیص نباشد. آیا این چیپ می‌تواند در این مراحل بیماری را تشخیص دهد؟

اگر بیماری نهفته باشد و هنوز ویروسی در داخل خون تولید نشده باشد حتی با استفاده از این روش هم امکان تشخیص بیماری وجود ندارد. اساس عملکرد این سیستم طراحی شده شمارش تعداد ویروس‌هاست بنابراین اگر ویروسی در بدن تولید نشده باشد حتی با استفاده از این روش هم امکان تشخیص بیماری وجود ندارد. مشکل اساسی و بزرگ بیماری ایدز این است که ممکن است در افراد مبتلا به بیماری به علت قرار گرفتن سلول‌های آلوده در حالت نهفته دیگر ویروس تولید نشود. ممکن است این دوره ده سال طول بکشد. اگر در بدن ویروسی تولید نشود تشخیص انجام نخواهد شد.

یکی دیگر از نکات مهمی که در این بیماری باید به آن توجه داشت این است که ممکن است ویروس HIV در بدن فرد بیمار وجود داشته باشد اما این فرد سالم به نظر برسد. از زمان ورود ویروس به بدن تا زمانی که شواهد آزمایشگاهی برای تشخیص این بیماری ظاهر شود ممکن است یک دوره زمانی دو تا شش هفته‌ای به طول انجامد. به این دوره Window Period یا دوره پنجره‌ای گفته می‌شود. در این دوره شخص آلوده به ویروس است و می‌تواند دیگران را نیز آلوده کند؛ اما هیچ یک از علائم و نشانه‌های بالینی و آزمایشگاهی در این فرد دیده نشود. در آزمایشاتی که تحت عنوان آزمایشات سریع از آن نام برده می‌شود نیز امکان تشخیص بیماری در دوره پنجره‌ای وجود ندارد. در این مرحله ویروس هنوز به مرزی نرسیده است که از طریق آزمایش‌های معمول قابل تشخیص باشد. در این مدت زمان تعداد ویروس‌ها در بدن بسیار زیاد است و در حقیقت میزان آنتی‌بادی‌ای که در بدن علیه این ویروس ساخته شده بسیار کم است. بنابراین در بسیاری از آزمایش‌های متداول و مرسوم برای تشخیص این بیماری با توجه به پایین بودن حساسیت آنها امکان تشخیص بیماری وجود ندارد. اما در این مرحله از بیماری با استفاده از میکروچیپ‌های طراحی شده می‌توان با توجه به بالا بودن تعداد ویروس‌ها در خون فرد مبتلا، بیماری را تشخیص داد.

تفاوت این روش با شیوه‌های تشخیصی دیگر در چیست که حتی در مرحله پنجره‌ای نیز تشخیص بیماری را امکان‌پذیر می‌سازد؟

در شیوه‌های مرسوم اساس تشخیص بر اساس انجام تست است. اما در این روش تشخیص تعداد ویروس‌ها شمارش می‌شود و به همین علت این امکان وجود دارد که بتوان در هر مرحله‌ای بیماری را تشخیص داد. به این ترتیب با دریافت یک قطره خون از فرد بیمار و قرار دادن آن روی میکروچیپی که از کاغذ ساخته شده است، می‌توان تعداد ویروس‌ها را در نمونه خون شناسایی کرد. در حقیقت ارزان بودن، قابلیت تشخیص سریع و قابلیت حمل از مهم‌ترین مزیت‌های این روش در مقایسه با آزمایش‌های تشخیص متداول است.

هزینه هر یک از این میکروچیپ‌ها چقدر برآورد شده است؟

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این روش تشخیص ارزان قیمت بودن آن است. بررسی‌های انجام شده نشان می‌دهد استفاده از این میکروچیپ به ازای هر تست انجام شده کمتر از دو دلار (کمتر از 7000 تومان) هزینه در برخواهد داشت. البته اگر بخواهیم هزینه پرداختی به افرادی که این آزمایش را انجام می‌دهند به عنوان هزینه انجام آزمایش به قیمت برآورد شده برای هر ریزتراشه اضافه کنیم اندکی بیشتر از این مقدار خواهد بود. اما به طور عادی هزینه مواد موردنیاز برای ساخت این میکروچیپ کمتر از دو دلار است. البته هنوز هزینه نهایی محاسبه نشده است. اما این روش در مقایسه با آزمایش‌های متداول به‌صرفه‌تر است و اساسا از نظر هزینه با دیگر روش‌های تشخیصی قابل مقایسه نیست.

از نظر زمانی تا چه حد می‌تواند در تشخیص سریع بیماری تاثیرگذار باشد؟

مدت زمان اعلام نتیجه آزمایش در روش‌های تشخیصی که به طور معمول برای شناسایی افراد مبتلا به این بیماری استفاده می‌شود، به این بستگی دارد که شما به چه مرکزی مراجعه می‌کنید. معمولا باید تعداد زیادی نمونه در حدود 50 نمونه جمع‌آوری شود تا آزمایش انجام شود. تا زمانی که تعداد نمونه‌ها در دستگاهی که برای این کار مورد استفاده قرار می‌گیرد، تکمیل نشده باشد آزمایش انجام نمی‌شود. بنابراین ممکن است در آزمایشگاهی در شهر اصفهان یا شیراز یک هفته طول بکشد تا جواب آزمایش مراجعه کنندگان آماده شود. در شهرهای بزرگ و پرجمعیتی مانند تهران ممکن است این آزمایش در مدت زمان حداقل بیست و چهار ساعت انجام شده و نتیجه آن اعلام شود. البته این مشکل در کشور ما چندان مهم نیست. اساسا مگر چند نفر مبتلا به این بیماری می‌شوند. مشکل اصلی در مناطقی مانند آفریقا دیده می‌شود که 20 میلیون نفر بیمار هستند. این افراد عموما در مناطق جنگلی زندگی می‌کنند که به بیمارستانی در نزدیکی محل سکونت خود دسترسی ندارند. اگر فردی که ساکن چنین منطقه‌ای است به یک مرکز درمانی مراجعه کند و بخواهد چنین آزمایشی را انجام دهد ممکن است دیگر برای گرفتن جواب آزمایش به این مرکز مراجعه نکند. فرض کنید فردی باردار باشد در چنین شرایطی می‌توان در مدت زمان نیم ساعت تشخیص داد فرزندش به بیماری ایدز مبتلا شده است یا خیر. پس از تشخیص بیماری پزشک می‌تواند برای فرزند او هم دارو تجویز کند.

آیا می‌توان از این روش برای تشخیص دیگر بیماری‌های ویروسی استفاده کرد؟

بله این امکان وجود دارد که از این میکروچیپ‌ها برای تشخیص دیگر بیماری‌های ویروسی هم استفاده کرد. ما آزمایشات و تحقیقات مشابهی را برای طیف دیگری از بیماری‌های متنوع ویروسی انجام داده‌ایم که با نتایج خوبی همراه بوده است. در حقیقت این میکروچیپ یک پلتفرم است که قابلیت تشخیص دیگر بیماری‌های ویروسی را دارد.

آیا می‌توان در بعضی شرایط گروه پزشکی را به منطقه فرستاد تا این آزمایش در همان منطقه و بدون نیاز به مرکز درمانی انجام شود؟

این کار امکان‌پذیر است. افرادی که به عنوان بهداشتیار با مراکز درمانی همکاری دارند می‌توانند آزمایش را در منطقه مورد نظرشان انجام دهند. این دستگاه به گونه‌ای طراحی شده که براحتی قابل حمل است. در روش‌های معمول برای انجام آزمایش ایدز از دستگاه‌هایی استفاده می‌شود که قابل حمل نیست و بر این اساس چنین آزمایشی باید حتما در داخل آزمایشگاه یا مرکز درمانی انجام شود.

به نظر می‌رسد این روزها در بسیاری از کشورها در سطح دنیا رشته‌های مهندسی توجه بیشتری به حوزه مهندسی پزشکی داشته‌اند. آیا واقعا این طور است؟

خیر لزوما این طور نیست. بسیاری از رشته‌های مهندسی مانند مهندسی پزشکی مسیر دیگری را در پیش گرفته‌اند. دستاوردهای محققانی که در حوزه‌هایی مانند رایانه و تلفن همراه فعالیت می‌کنند در حوزه مهندسی پزشکی قرار نمی‌گیرد. فعالیت در زمینه فناوری ارتباطات و اطلاعات از نظر اقتصادی به مراتب باصرفه‌‌تر است و بازده اقتصادی بیشتری را برای محققان به همراه دارد. بنابراین نمی‌توان این طور نتیجه‌گیری کرد که فعالیت رشته‌های مهندسی به حوزه مهندسی پزشکی معطوف شده است. البته در کشور آمریکا مهندسی پزشکی در مقایسه از جذابیت بیشتری برخوردار است. وقتی شما به عنوان یک مهندس در حوزه‌ای فعالیت می‌کنید که به ساخت دستگاه‌هایی با کاربرد در حوزه پزشکی منجر می‌شود رضایت‌بخش و جذاب است. اگر نگاهی به اطرافتان بیندازید متوجه می‌شوید تحقیقات در حوزه مهندسی دستاوردهای دیگری مانند ماشین یا هواپیما را به همراه داشته است که در زندگی بشر امروز نقش بسیار پررنگی دارد. این دستاوردها هیچ ارتباطی با پزشکی و سلامت ندارد. فعالیت در حوزه‌های دیگر با سود اقتصادی بیشتری همراه است. این روزها رایانه و گوشی‌های همراه به یکی از نیازهای ضروری ما انسان‌ها تبدیل شده است و اینها همه نشان‌دهنده این است که حوزه‌هایی که با دستاوردهایی با کاربرد گسترده‌تر همراه است از نظر اقتصادی ارجحیت دارد. این در حالی است که افراد مبتلا به بیماری‌هایی مانند ایدز و سرطان فقط بخشی از ساکنان این کره خاکی را شامل می‌شود. بنابراین هرگونه دستاوردی در این حوزه فقط می‌تواند برای طیف محدودی از افراد کاربرد داشته باشد.

اگر می‌خواستید چنین طرحی را در داخل کشور اجرا کنید با چه محدودیت‌هایی مواجه بودید؟

انجام چنین طرح تحقیقاتی در ایران غیر ممکن بود. حتی این امکان وجود نداشت که بتوان یک صدم این کار را نیز در داخل کشور و با امکانات موجود در ایران پیش برد. حداقل زمانی که من ایران بودم چنین امکانی در داخل کشور وجود نداشت. اینجا تفاوت‌های زیادی در حوزه علمی وجود دارد که اصلا با کشور خودمان قابل مقایسه نیست. البته به نظر می‌رسد این روزها در مقایسه با گذشته تغییراتی در کشور ایجاد شده است که می‌تواند نقش مهمی در تسهیل فرآیند تحقیقات داشته باشد. اساسا در دانشگاه‌های کشور ما تحقیقات علمی آن طور که باید جدی گرفته نمی‌شود. البته مشکل این است که برای انجام تحقیقات هزینه‌ای اختصاص داده نمی‌شود. کاری که در دانشگاه هاروارد انجام داده ایم تا این مرحله حدود 300 هزار دلار (بیش از یک میلیارد تومان) هزینه داشته است. وقتی برای تحقیقات هزینه نمی‌شود و امکانات لازم برای این کار فراهم نیست نمی‌توان کار تحقیقاتی انجام داد. کاری که ما باید در داخل کشور انجام دهیم این است که باید متناسب با نیازهای کشور کار تحقیقاتی انجام دهیم تا سرمایه‌گذاری لازم در این زمینه انجام شود. بدیهی است کارهایی که بر اساس نیاز کشور انجام می‌شود نمی‌تواند به عنوان بحث روز دنیا مطرح باشد. البته اشکالی هم ندارد که در چنین زمینه‌های تحقیق کنیم که بحث داغ و مطرح دنیا نیست. ما نسبت به دنیا عقب هستیم و اگر بخواهیم به نیازهای جامعه پاسخ دهیم باید بپذیریم نتیجه کار تحقیقاتی ما نمی‌تواند در سطح دنیا مورد توجه قرار گیرد. اگر بخواهیم متناسب با نیازهای دنیا پیش رویم در کوتاه مدت در سطح جامعه خودمان مورد توجه قرار نمی‌گیرد. گذشته از این معمولا سرمایه‌گذار داخلی برای چنین پروژه‌هایی سرمایه‌گذاری نمی‌کند.

تصور جامعه ما این است که دانشجویان ایرانی در دانشگاه‌هایی مانند هاروارد با محدودیت‌های زیادی مواجه هستند. آیا ایرانی‌ها می‌توانند در چنین دانشگاه‌هایی حرفی برای گفتن داشته باشند؟

محققان ایرانی حرف‌های زیادی برای گفتن دارند. در دانشگاه هاروارد ایرانی‌های زیادی در زمینه‌های تحقیقاتی مختلف به موفقیت دست یافته‌اند. در بسیاری از دانشگاه‌های مطرح آمریکا هم ایرانی‌ها خوش‌درخشیده‌اند. من همیشه این موضوع را مورد تاکید قرار داده‌ام این طور نیست که ایرانی‌ها باهوش‌تر از همه هستند. هندی‌ها، چینی‌ها و خود آمریکایی‌ها هم خیلی باهوش هستند. اما ایرانی‌های موفق زیادی داریم که این نشان‌دهنده پشتکار خوب آنهاست. در دانشگاه هاروارد محققان ایرانی در انجام پروژه‌های تحقیقاتی متعددی همکاری داشته‌اند و توانسته‌اند به موفقیت‌های بزرگی دست پیدا کنند.

البته باید این نکته را مورد توجه قرار داد که اگر کسی بخواهد مستقیم وارد دانشگاهی مانند هاروارد شود رسیدن به این هدف کمی مشکل است. افراد بسیاری از سراسر دنیا علاقه‌مند ورود به این دانشگاه هستند. نوجوانان آمریکایی در دبیرستان خیلی سخت درس می‌خوانند و خیلی قوی هستند. بنابراین کمتر ایرانی را می‌بینید که از دوره دبیرستان به طور مستقیم وارد این دانشگاه شده باشد. من خودم دوره کارشناسی و کارشناسی ارشد را در رشته مهندسی مکانیک در دانشگاه صنعتی اصفهان گذراندم. اما از همان زمان به رشته‌های مهندسی پزشکی علاقه‌مند بودم. هشت سال پیش از دانشگاه ویرجینیاتک در مقطع دکتری بورس گرفتم و بعد از آن به عنوان محقق دوره پسا دکتری وارد دانشگاه هاروارد شدم و اکنون عضو هیات علمی دانشگاه هاروارد هستم. اگر پله‌ها درست طی شود می‌توان امیدوار بود روزی بتوان وارد دانشگاه مطرح دنیا شد. اغلب ایرانی‌ها ابتدا وارد دانشگاه‌های دیگر می‌شوند و وقتی شناخته شدند می‌توانند براحتی وارد این دانشگاه‌ها شوند.

رمز موفقیت شما هوش است یا پشتکار؟

من فکر می‌کنم پشتکار نقش بیشتری در زندگی من داشته است. بعضی‌ها شانس را عامل مهمی در رسیدن به موفقیت می‌دانند. به نظر من شانس هم می‌تواند در قرار گیری افراد در محیط مناسب برای شکوفایی تاثیرگذار باشد اما پشتکار مهم‌ترین عامل است. اگر تلاش کنید حتما به موفقیت دست پیدا می‌کنید.

فرانک فراهانی‌جم ‌/‌ گروه دانش