باحثو ستانفورد يطورون طريقة أسرع وأرخص لاكتشاف البكتيريا في السوائل

باحثو ستانفورد يطورون طريقة أسرع وأرخص لاكتشاف البكتيريا في السوائل
ينتج عن الدمج الإبداعي للتصوير بمساعدة الذكاء الاصطناعي مع تقنية طابعة نفث الحبر القديمة طريقة أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة للكشف عن البكتيريا في مواد مثل الدم ومياه الصرف.

من خلال تسليط الليزر على قطرة دم أو مخاط أو مياه صرف ، يمكن تحليل انعكاس الضوء لتحديد وجود البكتيريا في العينة بدقة.

قالت جينيفر ديون ،  الأستاذة المشاركة  في علوم  المواد والهندسة و ، بإذن من قسم الأشعة في جامعة ستانفورد . كل ميكروب له بصمة بصرية فريدة خاصة به. إنه مثل الشفرة الجينية والبروتينية المكتوبة في الضوء “.

ديون هي مؤلفة رئيسية لدراسة جديدة في مجلة  Nano Letters  توضح بالتفصيل طريقة مبتكرة طورها فريقها والتي يمكن أن تؤدي إلى فحوصات ميكروبية أسرع (فورية تقريبًا) وغير مكلفة وأكثر دقة لأي سائل قد يرغب المرء في اختباره بحثًا عن الميكروبات.

قد تستغرق طرق الزراعة التقليدية التي لا تزال مستخدمة اليوم ساعات إن لم تكن أيامًا حتى تكتمل. قالت ديون إن ثقافة السل تستغرق 40 يومًا. يمكن إجراء الاختبار الجديد في دقائق ، وهو يحمل وعدًا بتشخيص أفضل وأسرع للعدوى ، وتحسين استخدام المضادات الحيوية ، والأطعمة الأكثر أمانًا ، وتعزيز المراقبة البيئية ، وتطوير الأدوية بشكل أسرع ، كما يقول الفريق.

كلاب قديمة ، حيل جديدة

لم يكن الاختراق هو أن البكتيريا تعرض بصمات الأصابع الطيفية ، وهي حقيقة معروفة منذ عقود ، ولكن في كيفية تمكن الفريق من الكشف عن تلك الأطياف وسط مجموعة من الضوء المنعكس من كل عينة.

قالت الدكتورة فريحة سفير: “لا يظهر كل نوع من البكتيريا أنماطًا فريدة من الضوء فحسب ، بل إن كل جزيء أو خلية أخرى في عينة معينة تفعل ذلك أيضًا”. طالب في مختبر ديون. “خلايا الدم الحمراء وخلايا الدم البيضاء والمكونات الأخرى في العينة ترسل إشاراتها الخاصة ، مما يجعل من الصعب إن لم يكن من المستحيل تمييز الأنماط الميكروبية عن ضوضاء الخلايا الأخرى.”

يمكن أن يحتوي مليلتر من الدم – بحجم قطرة المطر – على مليارات الخلايا ، القليل منها فقط قد يكون ميكروبات. كان على الفريق إيجاد طريقة لفصل وتضخيم الضوء المنعكس عن البكتيريا وحدها. للقيام بذلك ، غامروا في العديد من الظلال العلمية المدهشة ، والجمع بين تقنية عمرها أربعة عقود مستعارة من الحوسبة – الطابعة النافثة للحبر – واثنين من أحدث التقنيات في عصرنا – الجسيمات النانوية والذكاء الاصطناعي.

“المفتاح لفصل الأطياف البكتيرية عن الإشارات الأخرى هو عزل الخلايا في عينات صغيرة للغاية. نحن نستخدم مبادئ الطباعة النافثة للحبر لطباعة آلاف النقاط الصغيرة من الدم بدلاً من استجواب عينة واحدة كبيرة “، كما أوضح المؤلف المشارك Butrus” Pierre “Khuri-Yakub ، الأستاذ الفخري للهندسة الكهربائية في جامعة ستانفورد والذي ساعد في تطوير Inkjet الأصلي. طابعة في الثمانينيات.

أكد سفير “لكن لا يمكنك فقط الحصول على طابعة نافثة للحبر جاهزة وإضافة الدم أو مياه الصرف الصحي”. للتغلب على التحديات في التعامل مع العينات البيولوجية ، قام الباحثون بتعديل الطابعة لوضع عينات على الورق باستخدام النبضات الصوتية. يبلغ حجم كل نقطة من الدم المطبوع 2 تريليون من اللتر في الحجم – أكثر من مليار مرة أصغر من قطرة المطر. في هذا النطاق ، تكون القطرات صغيرة جدًا لدرجة أنها قد تحتوي على بضع عشرات من الخلايا.

بالإضافة إلى ذلك ، غرس الباحثون العينات بأقراص نانوية ذهبية تربط نفسها بالبكتيريا ، إن وجدت ، وتعمل مثل الهوائيات ، فتوجه ضوء الليزر نحو البكتيريا وتضخم الإشارة بنحو 1500 مرة من قوتها غير المعززة. معزولة ومضخمة بشكل مناسب ، تبرز الأطياف البكتيرية مثل الإبهام المؤلم العلمي.

الجزء الأخير من اللغز هو استخدام التعلم الآلي لمقارنة الأطياف المتعددة التي تنعكس من كل نقطة مطبوعة من السائل لاكتشاف التواقيع المنبهة لأي بكتيريا في العينة.

“إنه حل مبتكر له تأثير منقذ للحياة. قال المؤلف المشارك الكبير عمرو صالح ، وهو باحث سابق لما بعد الدكتوراه في مختبر ديون ويعمل الآن أستاذًا في جامعة القاهرة ، “نحن الآن متحمسون لفرص التسويق التي يمكن أن تساعد في إعادة تعريف معيار الكشف عن البكتيريا وتوصيف الخلية الواحدة”.

محفز للتعاون

هذا النوع من التعاون متعدد التخصصات هو السمة المميزة لتقاليد ستانفورد حيث يجلب الخبراء من المجالات التي تبدو متباينة خبراتهم المتنوعة لتحملها لحل التحديات طويلة الأمد ذات التأثير المجتمعي.

تم وضع هذا النهج الخاص خلال اجتماع وقت الغداء في مقهى في الحرم الجامعي ، وفي عام 2017 ، كان من بين أول المتلقين لسلسلة من المنح بقيمة 3 ملايين دولار التي وزعتها ستانفورد كاتاليست للحلول التعاونية. تستهدف منح Catalyst على وجه التحديد إلهام المخاطرة متعددة التخصصات والتعاون بين باحثي جامعة ستانفورد في المجالات ذات المكافآت العالية مثل الرعاية الصحية والبيئة والاستقلالية والأمن.

بينما تم إنشاء هذه التقنية وإتقانها باستخدام عينات من الدم ، فإن ديون واثقة بنفس القدر من إمكانية تطبيقها على أنواع أخرى من السوائل والخلايا المستهدفة بخلاف البكتيريا ، مثل اختبار مياه الشرب من أجل النقاء أو ربما اكتشاف الفيروسات بشكل أسرع وأكثر دقة وبسرعة. تكلفة أقل من الطرق الحالية.