בטכניון פותח התקן חדשני שעשוי לשמש לאבחון ופיענוח דגימות של נגיף הקורונה

פיתוח משותף לצוות מהטכניון בחיפה ומעבדות IBM בשווייץ: התקן המפריד חלקיקים ביולוגיים על פי גודלם באמצעות שדה חשמלי. ההתקן עשוי לשמש לצורך ניטור, אבחון ופיענוח מהיר של דגימות הנגיף שנלקחו מחולי קורונה.

על השיטה החדשה שפותחה בעבודה זאת דיווח הצוות לכתב העת  Angewandte Chemie. המאמר עבר ביקורת עמיתים ומציג אנליזה תאורטית של המערכת, אימות ניסויי שלה וקווים מנחים לתכנון התקנים עתידיים לשימושים שונים וכן את ההתאמה שתידרש לכך עבור הנגיף SARS-CoV2.

ההתקן  הזעיר שפותח מפריד במהירות סוגים שונים של חלקיקים: הקטנים נשארים בקרבת פתח הכניסה להתקן ואילו החלקיקים הגדולים מתרחקים מהפתח במהירות. לשיטה החדשה קוראת קבוצת המחקר BFF, קיצור של bidirectional flow filter (מסנן מבוסס זרימה דו-כיוונית).

את קבוצת המחקר בטכניון הוביל פרופסור-חבר מורן ברקוביץ' מהפקולטות להנדסת מכונות והנדסה ביו-רפואית, העומד בראש המעבדה לטכנולוגיות מיקרו-זרימה.

ההתקן שהוצג במאמר הוא שבב מיקרו-פלואידי (microfluidic chip) להפרדת הדגימה הנוזלית למרכיביה על ידי הזרמתה בתעלות וירטואליות באמצעות אלקטרו-אוסמוזה – שליטה בזרימת נוזל על ידי שדות חשמליים ומטען פני השטח. החוקרים השתמשו בטכנולוגיה זו ליצירת זרימה דו-כיוונית – הזרמה של הנוזל לשני כיוונים מנוגדים בעת ובעונה אחת. הגישה המסורתית – שליטה בזרימה באמצעות משאבות, שסתומים ותעלות – איננה מאפשרת להשיג דפוסי זרימה כאלה.

בהתקן החדש, כאשר החלקיקים מוזרקים לתוך שדה הזרימה, הם מתנהגים באופן שמוסבר היטב אך מפתיע: חלקיקים קטנים נשארים במקום ואילו הגדולים מוסעים במהירות.

הדוקטורנטית וסנה בצ'בה מהטכניון, אחת משני המחברים הראשיים של המאמר: "חלקיקים בנוזל ובגז נעים באופן אקראי. תופעה זו קרויה '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, כיוון שהמולקולות נעות באופן אקראי ומתפזרות בחלל, בתהליך הדיפוזיה".

תהליכי דיפוזיה מאופיינים במתאם שבין גודל החלקיק לבין רמת הדִּיפוּזִיביוּת (diffusivity) שלו - חלקיקים קטנים הם דיפוזיביים יותר מהחלקיקים הגדולים.

בהתקן החדשני מתקיימת זרימה דו-כיוונית כך שהחלקיקים הגדולים בדגימה, המאופיינים בדיפוזיביות נמוכה, נסחפים עם הזרם, בעוד החלקיקים הקטנים מתרוצצים במהירות בין קווי הזרם ההפוכים ולכן חווים בממוצע מהירות אפס ונשארים סמוכים לפתח הכניסה לתא הזרימה. כך ההתקן הזעיר מפריד חלקיקים על פי גודלם.

"העיקרון די פשוט", הוסיף ד"ר פדריקו פרטורה, פוסט-דוקטורנט במעבדות IBM בציריך. "למרבה ההפתעה, דבר זה לא נעשה עד כה, כנראה בשל מגבלות טכנולוגיות. אנחנו הצלחנו להתגבר על המגבלות באמצעות מחקר מתמשך שכלל הרבה נסיונות ושיפורים. התוצאה היא התקן שאפשר לייצרו באופן מסחרי עבור כלי דיאגנוסטיקה חדשים וכבסיס לכלי מחקר חדש בדגימות זעירות".

פרופסור-חבר ברקוביץ' הוסיף: "רוב ההתקנים לאבחון ביולוגי מבוססים על יצירת תגובה בין מולקולות חישה (probes) לבין מולקולות או חלקיקי המטרה שאותם מחפשים, ואחר כך הסרה של מולקולות החישה שלא נקשרו למטרה. התהליך הזה, במיוחד בשלב האחרון, מסובך מאוד ליישום בעיקר כשמדובר בדגימות קטנות. השיטה שלנו עושה זאת במהירות וביעילות, כל עוד מולקולות החישה והמטרה שונות מספיק זו מזו".

הצוות הודיע כי הוא שוקד עתה על התאמת השיטה שפיתח לניטור מהיר של SARS-CoV-2 על סמך דגימה ממשטח גרון.

ד"ר גובינד גאיקלה מ-IBM אמר: "למרבה המזל, הנגיפים גדולים יחסית – קוטרם כ-100 ננומטר, הרבה יותר גדול מנוגדנים או ממולקולות חישה אחרות המשמשות אותנו. הרעיון שלנו הוא להכניס את הדגימה לתא הזרימה שלנו, שם הנגיפים ייפגשו מולקולות חישה זוהרות שייצמדו אליהם, ורק הנגיפים המסומנים יזרמו החוצה בעוד מולקולות החישה העודפות יישארו מאחור".