Laboratorium na waciku

Wyobraź sobie, że w Azji wybuchła pandemia grypy. Samolot przewożący narażonych pasażerów leci przez Ocean Spokojny w kierunku Los Angeles. Jeden z nich zaczyna kaszleć, powodując namacalny strach rozprzestrzeniający się po całej kabinie.

Działając szybko i skutecznie, steward wyciąga małe urządzenie z przedziału nad głową, pobiera próbkę gardła chorego pasażera i identyfikuje wirusa jako grypę. Podczas lądowania wszyscy podróżnicy są poddawani kwarantannie – a rozprzestrzenianie się grypy zostaje udaremnione.

To scenariusz, który może stać się rzeczywistością w niedalekiej przyszłości, dzięki grupie naukowców, którzy pracowali nad sposobami bardziej efektywnego pozyskiwania informacji genetycznych z ludzkiego DNA.

Co więcej, w połączeniu z siecią bezprzewodową, może śledzić rozprzestrzenianie się szczepów grypy na całym świecie.

Wszystko zaczęło się od małego urządzenia – i wielkiego pomysłu.

W 1992 roku multidyscyplinarna grupa z University of Michigan zaczęła opracowywać urządzenie typu „lab-on-a-chip”, zwane genotyperem, jako sposób na ograniczenie kroków niezbędnych do zebrania informacji genetycznej z ludzkiego DNA przy użyciu metod mikrofabrykacji. (Patrz Notatnik, aby zapoznać się z koncepcją laboratorium na chipie).

Informacje pochodzące z DNA można wykorzystać do testowania wszystkiego, od tego, czy kurczak jest bezpieczny do jedzenia, po pochodzenie plamy krwi na miejscu przestępstwa lub czy dziecko jest zakażone wirusem grypy.

Po kilku latach prototypowania naukowcy z Michigan zaczęli omawiać potencjalne zastosowania urządzenia Genotyper, które jest wielkości pilota do telewizora.

Zaletą jest to, że [Genotyper] jest bardzo przenośny, mówi Ronald G. Larson, przewodniczący wydziału inżynierii chemicznej w Michigan. Wydawało się to idealne do wykonywania genomiki na miejscu na wirusach – a grypa była logicznym kandydatem.

Zaczęli więc budować urządzenie, które może szybko zidentyfikować genetyczną budowę wirusa grypy.

Ponieważ grypa jest wirusem RNA, RNA musi najpierw zostać przekształcone w DNA, zanim będzie można je amplifikować na chipie. W procesie, zwanym PCR (reakcją łańcuchową polimerazy), uwalniane są enzymy, które trawią lub tną DNA w określonych punktach.

To, w jaki sposób gen jest wycinany, czy nie, zależy od posiadanego genu grypy, mówi Larson. Fragmenty DNA są następnie przepuszczane przez żel i barwione znacznikami fluorescencyjnymi, co pozwala naukowcom odróżnić jeden szczep grypy od drugiego lub stwierdzić, czy pojawił się nowy szczep.

Do tej pory Genotyper był testowany na ludzkich genach, myszach (powszechne źródło poszukiwania wariacji genetycznych) oraz DNA dwóch szczepów grypy.

Masz coś w rodzaju mikroprocesora lub elementu sprzętowego, mówi członek grupy Mark A. Burns, profesor inżynierii chemicznej i biomedycznej na Uniwersytecie Michigan. Potem po prostu zakładasz inne oprogramowanie, ale w naszym przypadku nazwałbyś je wetware, różnymi odczynnikami, do testowania różnych rzeczy.

Naukowcy z Michigan nie przeszli tego procesu z próbką z gardła, ponieważ muszą rozwiązać problem oczyszczania (patrz Notatnik). Do tej pory pobierali wstępnie oczyszczone DNA i genotypowali je.

Chociaż minęło 36 lat od ostatniej światowej pandemii grypy w populacji ludzkiej, zagrożenie współczesną epidemią jest zawsze obecne. Niedawne ogniska ptasiej grypy podkreślają tę rzeczywistość. Co więcej, ze względu na jego mutację genetyczną, szybką transmisję i zdolność do przenoszenia się ze zwierzęcia na człowieka, potrzeba śledzenia nowych wariantów wirusa grypy ma kluczowe znaczenie. Według Williama A. Petri Jr., profesora medycyny, mikrobiologii i patologii na University of Virginia, praktycznie wszyscy eksperci od grypy zgadzają się, że nastąpi kolejna pandemia grypy.

Jako lekarz Petri wyobraża sobie, że pewnego dnia urządzenie podobne do genotypu zostanie użyte do szybkiej identyfikacji typu, podtypu lub szczepu wirusa grypy u pacjenta, a następnie lekarz wykorzysta te informacje do wybrania odpowiedniego leku.

Petri zauważa, że ​​większość dzisiejszych pacjentów czeka od dwóch do trzech dni przed wizytą u lekarza. Gdyby byli w stanie zdiagnozować siebie w domu w krytycznym okresie 48 godzin, mogliby uzyskać skuteczniejsze leczenie – i zmniejszyć szanse na zarażenie innych.

Naukowcy mają nadzieję, że za 15-20 lat pacjent będzie mógł pobrać wymaz z nosa lub gardła, umieścić go na chipie Genotyper i samodzielnie zdiagnozować swój stan w domu. Następnie dane mogą być wprowadzane do sieci bezprzewodowej i wariantów grypy mapowanych sąsiedztwo po okolicy, miasto po mieście lub dalej.

Burns przewiduje pół tuzina innych możliwych zastosowań takiego zintegrowanego urządzenia do wykrywania genetyki (patrz Notatnik). Ale przyznaje też, że istnieje możliwość nadużyć tej technologii. Na przykład nieuczciwi ubezpieczyciele zdrowotni lub potencjalni pracodawcy mogą przechwycić informacje o budowie genetycznej danej osoby i dyskryminować posiadaczy polis lub pracowników.

Ale jak wykonalne jest tak rewolucyjne urządzenie diagnostyczne?

Sprawienie, by coś takiego naprawdę działało na poziomie komercyjnym, wymaga wielu rzeczy, nie tylko technologicznych, ale także socjologicznych i ekonomicznych, mówi Larson. Uważa jednak, że pomimo tych zastrzeżeń może stać się on masowo produkowany i niedrogi.

To, co naprawdę staramy się zrobić, to popchnąć pole do przodu i skupić się na tym, co postrzegamy jako dużą potrzebę śledzenia patogenów wirusowych, mówi Larson.

ukryć