تتنبأ الروبوتات بتفشي COVID-19 من خلال غربلة أنبوبك

إريك جيبسن

الماخذ الرئيسية

• يعد اختبار مياه الصرف الصحي لـ COVID-19 طريقة فعالة لتتبع حالات تفشي المرض المحتملة.
• بفضل الطريقة المحسنة ، يمكن إجراء هذا النوع من المراقبة بشكل أسرع وأكثر كفاءة وأرخص.
• يسمح التحسين في العملية باختبار عشرات العينات من المجاري ومحطات معالجة مياه الصرف الصحي يوميًا بدلاً من مجرد حفنة.
• يمكن أيضًا استخدام الاختبار السريع لمياه الصرف الصحي لاكتشاف وتتبع الفاشيات الفيروسية الأخرى في المستقبل.

في وقت مبكر من الوباء ، تحول العلماء إلى مياه الصرف الصحي كنظام تحذير لتفشي COVID-19. وقد أثبت اختبار عينات مياه الصرف الصحي بحثًا عن وجود الفيروس فائدته في تحديد مبنى أو منطقة يوجد بها COVID-19 بالفعل ، حتى إذا كان الناقلون بدون أعراض. تم تنفيذ هذه الطريقة في كل مكان من الكليات إلى المجتمعات المحلية.

لكن هذه الطريقة بها عيب كبير: سرعتها. الآن ، وجد فريق في كلية الطب بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو (UCSD) طريقة لتسريع عملية الكشف وتوفير بيانات دقيقة بسرعة أكبر.

كانت العملية الأصلية بطيئة لأن عينات من مياه الصرف الصحي أو مياه الصرف الصحي مخففة ويجب أن تتركز ، الأمر الذي يأخذ العديد من الخطوات ويستخدم الكثير من الموارد ، كما يقول Smruthi Karthikeyan ، دكتوراه ، مهندس بيئي وباحث ما بعد الدكتوراه في كلية الطب بجامعة كاليفورنيا ، لريويل. كارثيكيان هو المؤلف الرئيسي لتقرير العملية الذي نُشر هذا الشهر في المجلةأنظمة mSystems.

تسريع العملية

على عكس مسحة الأنف ، التي تأخذ عينة صغيرة من المخاط ، يتم تخفيف عينة من مياه الصرف الصحي من المجاري أو محطة معالجة مياه الصرف الصحي بعد أن تتسرب مع كل شيء آخر نزل في البالوعة.

يجب تركيز عينات مياه الصرف الصحي بحيث يسهل العثور على فيروس SARS-CoV-2 ، وهو الفيروس المسبب لـ COVID-19 ، إن وجد. ولكن كانت هناك حاجة إلى طريقة أسرع لتركيز تلك العينات والعثور على الحمض النووي الريبي من الفيروس. كان الباحثون مهتمين على وجه التحديد بإيجاد طريقة يمكن إجراؤها في وقت واحد على العديد من العينات ويمكن أن تقدم نتائج دقيقة في نفس اليوم.

لتسريع العملية ، لجأت كارثيكيان وفريقها إلى بعض المساعدة الروبوتية التي حصلت عليها بالفعل في مختبرها. قبل أن يبدأ الوباء ، ركز بحثها على ميكروبيوم الأمعاء ، وهو مجال دراسي يتضمن أيضًا فحص عينات مياه الصرف الصحي. من خلال تعديل هذا النظام ، تمكنوا من استخراج الحمض النووي الريبي سريعًا من عينات المياه العادمة وتشغيل تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) للبحث عن جينات توقيع COVID-19.

في الأنظمة المستخدمة سابقًا لمراقبة مياه الصرف الصحي ، تم تركيز عينات المياه باستخدام طرق الترشيح أو الترسيب ، الأمر الذي استغرق وقتًا والعديد من الموارد لإجراء الاختبارات.

بدلاً من ذلك ، يستخدم هذا النظام عالي الإنتاجية خرزات مغناطيسية ترتبط بشكل تفضيلي بقطع من الفيروس ، كما يوضح كارثيكيان. يقوم المعالج الآلي بعد ذلك بالتقاط الخرزات باستخدام رأس مغناطيسي ، تاركًا وراءه كل شيء آخر.

"بهذه الطريقة تختار الفيروس فقط ولا تلتقط كل البريد غير الهام" ، كما تقول. "إنه يزيد من فرصك في العثور على الفيروس حتى في نظام مخفف." ثم يتم اختبار العينات المركزة لثلاثة أهداف جينية مختلفة على جينوم COVID-19 باستخدام اختبار PCR.

ما هو الفحص عالي الإنتاجية؟

يستخدم الفحص عالي الإنتاجية معدات آلية لإجراء اختبار سريع لآلاف إلى ملايين العينات من أجل النشاط البيولوجي على مستوى الكائن الحي أو الخلية أو المسار أو الجزيئي.

النظام المحسن يزيد بشكل كبير من سرعة الاختبار.

"[سابقًا] لم أستطع عمل أكثر من 10 عينات في اليوم. يقول كارثيكيان: "لقد استغرق الأمر مني ساعات لأفعل الشيء نفسه". "باستخدام هذا ، يمكننا عمل 120 عينة في 4.5 ساعة من استلام العينة إلى الكشف الفعلي عن تفاعل البوليميراز المتسلسل."

وتضيف أن هذه العملية لها فائدة إضافية تتمثل في كونها أرخص لأنها تتطلب موارد أقل وعددًا أقل من الأشخاص لإجراء الاختبار. يمكن إجراء الاختبار على عينات مياه الصرف الصحي بحجم صغير يصل إلى 10 ملليلترات.

دقة النتائج بهذه الطريقة عالية أيضًا. يسمح الاختبار السريع للباحثين بالتنبؤ بما سيحدث مع انتشار COVID-19 قبل أسبوع بدقة جيدة وقبل ثلاثة أسابيع بدقة معقولة ، وفقًا لبيان صادر عن كلية الطب بجامعة كاليفورنيا.

ماذا يعني هذا بالنسبة لك

تعد مراقبة مياه الصرف الصحي الخاصة بـ COVID-19 بمثابة تذكير بأن الفيروس يمكن أن ينتشر حتى عندما لا يعاني الأفراد من الأعراض. من المهم أن تستمر في اتخاذ احتياطات السلامة الضرورية مثل ارتداء قناع ، والتباعد الاجتماعي ، وغسل يديك للحفاظ على نفسك ومجتمعك بأمان.

قصة نجاح

يجري اختبار مياه الصرف الصحي من المهاجع والمباني الأخرى في جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو منذ يوليو 2020. اكتشف فريق بقيادة روب نايت ، دكتوراه ، أستاذ ومدير مركز ابتكار الميكروبيوم في جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو ، هذه التقنية.

بعد شهر من بدء المدرسة في مراقبة مياه الصرف الصحي ، اكتشفوا حالة إيجابية بدون أعراض وتمكنت الجامعة من إرسال تنبيهات إلى الأشخاص في المباني المتضررة. سهّل هذا الاختبار المستهدف للأفراد في منطقة معينة بدلاً من محاولة اختبار الجميع في الحرم الجامعي. نتائج الفرز متاحة الآن على لوحة معلومات عامة.

تستخدم جامعات أخرى ، مثل جامعة أريزونا ، اختبارات مياه الصرف لتتبع انتشار COVID-19. حتى أن مدينة نيويورك تراقب COVID-19 في عينات من 14 محطة لمعالجة مياه الصرف الصحي.

يسمح نظام UCSD بفحص المزيد من عينات المياه بسرعة ، مما يمنح مسؤولي الصحة العامة نظرة على انتشار الفيروس قبل أن يمرض الناس سريريًا. يقول كارثيكيان: "لا أعتقد أن أي شخص يقوم بذلك على نطاق مثل هذا".

يمكن للنظام المستخدم في جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو اكتشاف حالة واحدة فقط من COVID-19 في مبنى يضم أكثر من 400 ساكن. يقول كارثيكيان إنه في فئة الشباب ، مثل الجسم الطلابي في جامعة كاليفورنيا ، غالبًا ما يكون الأشخاص المصابون بدون أعراض ، لكنهم ما زالوا يتخلصون من الفيروس. بحلول الوقت الذي يتحول فيه الناقل بدون أعراض إلى أعراض أو ينشر الفيروس إلى شخص تظهر عليه أعراض العدوى ، يمكن أن ينتشر الفيروس بشكل كبير.

تقوم كارثيكيان وزملاؤها حاليًا باختبار عينات مياه الصرف الصحي لمقاطعة سان دييغو. يعالج مرفق معالجة مياه الصرف الصحي في Point Loma مياه الصرف الصحي لأكثر من 2.2 مليون شخص ، مما يسمح بجمع العينات في موقع واحد لمنطقة الخدمة بأكملها. من الصعب والمكلف إجراء اختبار للفيروس على جميع السكان ، لكن استخدام اختبار مياه الصرف الصحي كأسلوب للمراقبة يسمح لمسؤولي الصحة العامة بتضييق نطاق المجالات التي يكون فيها الاختبار أمرًا بالغ الأهمية.

تريد مقاطعة سان دييغو أن لا يقوم فريق جامعة كاليفورنيا في سان دييغو باكتشاف الفيروس فحسب ، بل أيضًا تسلسل جينوم الفيروس لمعرفة أنواع الفيروس التي قد تنتشر ، كما يقول كارثيكيان. وتضيف: "سنقوم الآن بعمل تسلسل الجينوم على نطاق واسع".

يقول كارثيكيان إن هذا النوع من مراقبة مياه الصرف الصحي يمكن تكييفه لإجراء مراقبة لأي فيروس يتم التخلص منه في البراز ، مضيفًا أنه يمكن استخدامه في العديد من أنواع أوبئة الأمراض المعدية وقد يساعد في اكتشاف الأوبئة المستقبلية في وقت مبكر.