התקן לאבחון מהיר של חולי קורונה

התקן ייחודי פרי פיתוח ישראלי -שוויצרי עשוי לשמש באבחון מהיר של חולי קורונה. ההתקן מבוסס על שיטה חדשה להפרדת מולקולות וחלקיקים בדגימות זעירות. הפיתוח הינו של מדענים בטכניון ובמעבדות IBM בשוויץ. ההתקן מפריד חלקיקים ביולוגיים על פי גודלם באמצעות שדה חשמלי.

שיטה חדשה להפרדה של חלקיקים ומולקולות מתוך דגימות קטנות עשויה להוות פריצת דרך בתחום. המדענים מציינים כי “ההתקן עשוי לסייע בניתוח מהיר של דגימות מחולי קורונה, תחת מענק של רשות החדשנות.”

פריצת דרך שכמותה מתרחשות רק אחת לעשור או שניים

מחקרם של המדענים מתאר שיטה ייחודית חדשנית להפרדה של חלקיקים ומולקולות ביולוגיות מנוזל. פיתוח זה הוגדר על ידי אחד משופטי המאמר (reviewers) כ”תרומה עצומה לתחום ופריצת דרך שכמותה מתרחשות רק אחת לעשור או שניים.” המחקר ראה אור בכתב העת Angewandte Chemie .את קבוצת המחקר בטכניון הוביל פרופסור מורן ברקוביץ’ מהפקולטות להנדסת מכונות ולהנדסה ביו-רפואית, ראש המעבדה לטכנולוגיות מיקרוזרימה. המחקר מומן על ידי מענק MetamorphChip מטעם הנציבות האירופית למחקר (ERC) ותוכנית BRIDGE שמממנות רשות החדשנות השוויצרית (Innosuisse) והקרן השוויצרית למדע (SNF).

כלי דיאגנוסטיקה חדשים ופורצי דרך. אילוסטרציה: Pixabay Philippe Delavie
כלי דיאגנוסטיקה חדשים ופורצי דרך. אילוסטרציה: Pixabay Philippe Delavie

המדענים יצרו התקן זעיר המפריד במהירות סוגים שונים של חלקיקים. המדענים מסבירים כי ההתקן פועל כך ש”חלקיקים קטנים נשארים בקרבת פתח הכניסה להתקן ואילו חלקיקים גדולים מתרחקים מהפתח במהירות. לשיטה החדשה קוראת הקבוצה BFF, קיצור של bidirectional flow filter (מסנן מבוסס זרימה דו-כיוונית).” במאמרם מתארים המדענים ניתוח תאורטי של המערכת, אימות ניסויי שלה וקווים מנחים לתכן של התקנים עתידיים לשימושים שונים.

המדענים מתייחסים במאמרם להתקן שהינו שבב מיקרופלואידי (microfluidic chip). הם מסבירים כי מדובר ב”שבב  מיקרופלואידי שבו מופרדת הדגימה הנוזלית למרכיביה על ידי הזרמתה בתעלות וירטואליות באמצעות אלקטרו-אוסמוזה – שליטה בזרימת נוזל על ידי שדות חשמליים ומטען פני השטח. במחקר הנוכחי השתמשו החוקרים בטכנולוגיה זו ליצירה של זרימה דו-כיוונית – הזרמה של הנוזל לשני כיוונים מנוגדים בעת ובעונה אחת. הגישה המסורתית – שליטה בזרימה באמצעות משאבות, שסתומים ותעלות – אינה מאפשרת להשיג דפוסי זרימה כאלה.”

כלי דיאגנוסטיקה חדשים

המדענים מציינים כי בהתקן החדש, כאשר חלקיקים מוזרקים את תוך שדה הזרימה הם מתנהגים באופן מוסבר היטב אך מפתיע: חלקיקים קטנים נשארים במקום ואילו חלקיקים גדולים מוסעים במהירות. לדברי הדוקטורנטית ונסה בצ’בה מהטכניון, אחת משני המחברים הראשיים של המאמר, “חלקיקים בנוזל ובגז נעים באופן אקראי – תופעה הקרויה תנועה בראונית. התנועה הזאת מובילה לכך שחלקיקים בגז נוטים להתפזר במרחב כך שבסופו של דבר יהיו מפוזרים בו באופן אחיד. זה המנגנון שבזכותו אנחנו יכולים להריח, לאחר זמן מסוים, בקבוק בושם שנפתח בצד השני של החדר – כי המולקולות נעות באופן אקראי ומתפזרות בחלל בתהליך שנקרא גם דיפוזיה.”

החוקרים מסבירים כי תהליכי דיפוזיה מאופיינים במיתאם בין גודל החלקיק לרמת הדִּיפוּזִיביוּת (diffusivity) שלו – חלקיקים קטנים הם דיפוזיביים יותר מחלקיקים גדולים. בהתקן החדשני שפיתחה קבוצת המחקר של פרופסור ברקוביץ’ מתקיימת זרימה דו-כיוונית, והתוצאה היא שהחלקיקים הגדולים בדגימה, המאופיינים בדיפוזיביות נמוכה, נסחפים עם הזרם, ואילו החלקיקים הקטנים מתרוצצים במהירות בין קווי הזרם ההפוכים ולכן חווים בממוצע מהירות אפס ונשארים סמוכים לפתח הכניסה לתא הזרימה. התוצאה היא התקן זעיר המפריד חלקיקים על פי גודלם.

לדברי ד”ר פדריקו פרטורה, פוסט-דוקטורנט העובד במעבדות IBM בציריך, גם הוא מחבר מוביל במאמר. “העיקרון כאן די פשוט, למרבה ההפתעה זה דבר שלא נעשה עד כה, כנראה בשל מגבלות טכנולוגיות. אנחנו הצלחנו להתגבר על המגבלות האלה באמצעות מחקר מתמשך שכלל הרבה ניסיונות ושיפורים, והתוצאה היא התקן מוצק שאפשר לייצרו באופן מסחרי לטובת כלי דיאגנוסטיקה חדשים וכבסיס לכלי מחקר חדשים של דגימות זעירות.”

התאמה לניטור מהיר של נגיף קורונה

“רוב ההתקנים לאבחון ביולוגי מבוססים על יצירת תגובה בין מולקולות חישה probes למולקולות או לחלקיקי המטרה שמחפשים, ואחריה הסרה של מולקולות החישה שלא נקשרו למטרה כי התהליך הזה, במיוחד בשלב האחרון, מסובך מאוד ליישום בעיקר כשמדובר בדגימות קטנות. ” מסביר  פרופסור מורן ברקוביץ’ “השיטה שלנו עושה זאת במהירות וביעילות, כל עוד מולקולות החישה והמטרה שונות מספיק זו מזו.”

בימים אלה עמלים המדענים על התאמת השיטה לניטור מהיר של נגיף קורונה SARS-CoV-2 על סמך דגימה ממשטח גרון. “למרבה המזל, הנגיפים גדולים יחסית – קוטרם כ-100 ננומטר, הרבה יותר גדול מנוגדנים או ממולקולות חישה אחרות שמשמשות אותנו.” מסביר ד”ר גובינד גאיקלה מ-IBM “הרעיון שלנו הוא להכניס את הדגימה לתא הזרימה שלנו, שם הנגיפים ייפגשו מולקולות חישה זוהרות שייצמדו אליהם, ורק הנגיפים המסומנים יזרמו החוצה בזמן שמולקולות החישה העודפות יישארו מאחור.”

 

סרטון הסבר המחקר אודות הפרדת החלקיקים והמולקולות במתקן החדש:

 

סרטון המתאר את הפרדתם של המולקולות ושל החלקיקים בהתקן החדש: