מכיוון ששפעת העופות H5N1 הפתוגנית מאוד ממשיכה להתפשט בארצות הברית, מהווה איומים רציניים על חוות חלב ועופות, הן חקלאים ומומחי בריאות הציבור זקוקים לדרכים טובות יותר לפקח על זיהומים, בזמן אמת, להקל ולהגיב להתפרצויות. כעת, הודות למחקר מאוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס שפורסמה בגיליון מיוחד של חיישני ACS בנושא "חישת נשימה", לעוקבי הנגיף יש דרך לפקח על חלקיקי אירוסול של H5N1.
כדי ליצור את חיישן השפעת הציפורים שלהם, חוקרים במעבדה של ראג'אן צ'אקרברטי, פרופסור להנדסה אנרגיה, סביבתית וכימיה בבית הספר להנדסה של מקקלווי של וושו, עבדו עם חיישני ביו קיבוליים אלקטרוכימיים כדי לשפר את המהירות והרגישות של נגיף וחיידקים.
עבודתם מתוזמנת באופן מכריע מכיוון שנגיף העופות קיבל תפנית מסוכנת בשנה האחרונה כדי להעביר באמצעות חלקיקים מוטסים ליונקים, כולל בני אדם. הנגיף הוכח קטלני בחתולים, והיה לפחות מקרה אחד של מוות אנושי מ- H5N1.
"הביוסנסור הזה הוא הראשון מסוגו", אמר צ'אקרברטי, מדבר על הטכנולוגיה המשמשת לגילוי נגיף מוטס וחלקיקי חיידקים. מדענים נאלצו בעבר להשתמש בשיטות גילוי איטיות יותר עם כלי DNA של תגובת שרשרת פולימראז.
צ'אקרברטי ציין כי שיטות בדיקה קונבנציונאליות יכולות לארוך יותר מעשר שעות – "זמן רב מדי כדי לעצור התפרצות."
הביוסנסור החדש פועל תוך חמש דקות, ושומר על מדגם החיידקים לצורך ניתוח נוסף ומתן טווח של רמות ריכוז הפתוגן שהתגלו בחווה. זה מאפשר פעולה מיידית, אמר צ'אקרברטי.
הזמן הוא המהות בעת מניעת התפרצות ויראלית. כאשר המעבדה החלה לעבוד על מחקר זה, H5N1 הועבר רק באמצעות מגע עם ציפורים נגועות.
"ככל שהמאמר הזה התפתח, כך גם הנגיף; הוא מוטציה", הוסיף צ'אקרברטי.
ארצות הברית עוקבת אחר בריאות בעלי החיים והתפרצויות הפתוגן בחוות דרך משרד החקלאות האמריקני לחקלאות ושירות פיקוח לבריאות הצומח (APHIS), שדיווחו לאחרונה כי במהלך 30 הימים האחרונים היו לפחות 35 מקרים חדשים של בקר חלב חדש של H5N1 בארבע מדינות, בעיקר בקליפורניה.
"הזנים שונים מאוד הפעם," אמר צ'אקרברטי.
אם החקלאים חושדים במחלה, הם יכולים לשלוח את החיה למעבדות מחלקת החקלאות הממלכתיות לבדיקה. עם זאת, זהו תהליך איטי שניתן להתעכב עוד יותר בגלל צבר המקרים שכן H5N1 עוקף עופות וחוות חלב. אפשרויות ההפחתה כוללות אמצעי ביטחון ביולוגיים כמו הסגר בעלי חיים, מתקנים וציוד חיטוי ובקרות מגן כדי להגביל את החשיפה לבעלי חיים, כולל הוצאת המונים. ה- USDA פרסמה לאחרונה גם רישיון מותנה לחיסון נגד שפעת העופות, שיכול לספק הקלה נוספת לחקלאי העופות המשתוקקים להוריד את מחירי הביציות.
Chakrabarty מוכן להכניס את חיישן הביוסור הזה בפני העולם ואמר שהוא בנוי להיות נייד ובמחיר סביר לייצור המוני.
איך זה עובד
היחידה לחישת דגימה משולבת של פתוגן היא בערך בגודל של מדפסת שולחנית וניתן למקם אותה במקום בו חוות מגניבות פליטה מבדיקת עוף או בקר. היחידה היא פלא הנדסי בין-תחומי המורכב מ"דגימה ביו-בירוסול רטובה של ציקלון ", אשר במקור פותח לצורך דגימת אירוסולים של SARS-COV-2.
האוויר עמוס הפתוגן נכנס למדגם במהירות גבוהה מאוד והוא מעורבב עם הנוזל הקורן את קירות הדגימה ליצירת מערבולת פני השטח, ובכך לוכד את אירוסולי הנגיף. ליחידה מערכת שאיבה אוטומטית השולחת את הנוזל שנדגמה כל חמש דקות לחייש הביולוגי לגילוי וירוסים חלק.
מדען הצוות הבכיר של צ'אקרברטי, מנג וו, יחד עם הסטודנט לתארים מתקדמים ג'ושין קומאר, ביצעו את המשימה העמלנית של אופטימיזציה של פני השטח של הביוסנסור האלקטרוכימי כדי להגביר את הרגישות והיציבות שלו לגילוי הנגיף בכמויות עקבות (פחות מ 100 עותקי RNA ויראליים למטר קוביות של אוויר).
הביוסנסור משתמש "בדיקות לכידת" הנקראות Aptamers, שהם גדילי DNA בודדים הנקשרים לחלבוני וירוסים, ומסמנים אותם. האתגר הגדול של הצוות היה למצוא דרך לגרום לאפטמרים האלה לעבוד עם משטח הדו-מילימטר של אלקטרודה פחמן חשופה בגילוי הפתוגנים.
לאחר חודשים של ניסוי וטעייה, הצוות הבין את המתכון הנכון לשינוי פני הפחמן באמצעות שילוב של תחמוצת גרפן וננו -גבישים כחולים פרוסיים כדי להגביר את הרגישות והיציבות של חיישן הביוס. השלב האחרון כלל קשירת משטח האלקטרודה המותאמת ל- Aptamer באמצעות Crosslinker Glutaraldehyde, שלדבריו וקומאר אמרו שהוא "הרוטב הסודי" לפונקציונל של פני השטח של אלקטרודה חשופה לפחמן לאיתור H5N1.
הם הוסיפו כי יתרון אחד גדול בטכניקת הגילוי של הצוות הוא שזה לא הרסני. לאחר בדיקה לנוכחות וירוס, ניתן לאחסן את הדגימה לצורך ניתוח נוסף על ידי טכניקות קונבנציונאליות כמו PCR.
היחידה לחישת דגימה משולבת של פתוגן עובדת אוטומטית – אדם אינו צריך להיות מומחיות בביוכימיה כדי להשתמש בה. זה מיוצר עם חומרים נוחים וקלים למסת-ייצור. החיישן הביו יכול לספק טווחי ריכוז של H5N1 באוויר ולהתראה על מפעילי מחלות בזמן אמת. XU אמר כי הידע ברמות יכול לשמש כאינדיקטור כללי ל"איום "במתקן וליידע את המפעילים אם איזון הפתוגן הוטל לרמות מסוכנות.
היכולת הזו להציע מגוון של ריכוז וירוסים היא "ראשונה" נוספת לטכנולוגיית חיישנים. והכי חשוב, זה יכול להיקף את הגודל כדי למצוא פתוגנים מסוכנים רבים אחרים במכשיר אחד.
חיישן ביולוגי זה ספציפי ל- H5N1, אך ניתן להתאים אותו לאיתור זנים אחרים של נגיף השפעת (למשל, H1N1) ו- SARS-COV-2 וכן חיידקים (E. coli ו- Pseudomonas) בשלב התרסיס. הדגמנו את היכולות הללו של חיישן הביולוגי שלנו ודיווחנו על הממצאים בעיתון. "
ראג'אן צ'אקרברטי, פרופסור להנדסה אנרגטית, סביבתית וכימיה, בית הספר להנדסה של מקקלווי של וושו
הצוות פועל למסחור הביוסנסור. Varro Life Sciences, חברת ביוטק בסנט לואיס, התייעצה עם צוות המחקר בשלבי העיצוב של הביוסנסור כדי להקל על המסחור האפשרי שלה בעתיד.
Kumar J, Xu M, Li Ya, You SW, Doherty BM, Gardiner WD, Cirrito JR, Yuede CM, Benegal A, Vahey MD, Joshi A, Seehra K, Boon ACM, Huang YY, Puthusser jv, Chakrabarty R. אירוסולים. חיישני ACS, מקוונים 21 בפברואר. DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.4c03087
המימון למחקר זה סופק על ידי מעבדת שפעת.
