פרופ' ניר פרידמן מציג שיטה חדשה מהירה וזולה יותר לאבחון נגיף הקורונה

כלי בסיסי בהתמודדות עם מגפת הקורונה הוא היכולת לזהות מי חולה. הבעיה מורכבת כיוון שנדבקים מתחילים להפיץ נגיפים (ולהדביק אחרים) לפני שהם מפתחים תסמינים, וחלק מהנדבקים כלל לא מפתחים תסמיני מחלה, ואינם מוגדרים כ״חולים״ (אסימפטומטים).  

 

הבדיקה העיקרית למחלה מבוססת על זיהוי נוכחותם של רצפי RNA ייחודיים מגנום הנגיף בתאי מערכת הנשימה של הנבדק, והיא מורכבת מכמה שלבים:

  1. באמצעות מטוש מגרדים תאים וריר מהגרון והאף של הנבדק - באזורים אלה מופיע הנגיף כבר בשלבים מוקדמים של המחלה (בהמשך הוא מתפשט לאיברים נוספים). 
  2. הדגימה נמהלת בתמיסת ניטרולlysis buffer) ) המחוררת את מעטפת הנגיף, משחררת את מולקולות ה-RNA הנגיפי לתמיסה ומגנה עליהן מפירוק על ידי אנזימים מפרקי RNA. בתום שלב זה בטוחה הדוגמה לעבודה במעבדה ללא הגנה מיוחדת, כיוון שכבר אין בה נגיפים פעילים.
  3. לפני ביצוע הבדיקה המולקולרית יש לבודד את ה-RNA הנגיפי (אך גם האנושי) מהתמיסה המכילה שברי תאים ונגיפים, ולסלק את מרכיבי תמיסת הניטרול העשויים להפריע להמשך הבדיקה. 
  4. תערובת ה-RNA (שמכילה גם DNA) נבדקת במכשיר real-time PCR, המזהה ברגישות גבוהה האם רצף של RNA נגיפי שנבחר מראש נמצא בדגימה.  

 

החידוש שלנו עוסק בשלב השלישי של ניקוי ה-RNA. 

יש דרכים רבות לניקוי RNA (ו/או DNA) מתמיסה. כאשר מבצעים איבחון רפואי, דיוק ואמינות מאד חשובים. לפיכך, משתמשות מעבדות דיאגנוסטיות במערכות ״סגורות״, הכוללות בדרך כלל מכשיר ייעודי, המוזן בדגימות וחומרים מתכלים המיוצרים במיוחד למטרה זו. היתרון בשיטות אלה הוא תפעול מיטבי והדיר ללא טעויות אנוש. החסרונות בגישה כזאת הינם העלויות של החומרים המתכלים והצורך לעבוד עם מתכלים של חברה מסויימת שהינה יצרנית המכשיר (בדומה לקניית דיו מקורי למדפסת או קפסולות מקוריות למכונת האספרסו). 

בדרך כלל נתפסת העלות הנוספת כסבירה לאור חשיבות הבדיקה, קלות ההפעלה והסיכוי הנמוך לטעויות. אולם חשבון זה מופר במצב של מגפה. ראשית, יש לבצע הרבה מאד בדיקות, ולכן המחיר הופך לגורם מגביל. בנוסף, מתפתחת תלות ברכיבים של חברה מסוימת,  בנגישות לחומרים  ולאופן הפצתם בעולם. בעיתות שיגרה הצריכה צפויה מראש, והחברות מייצרות מתכלים המספקים את הביקוש. אולם התפרצות  המגפה בסין, ולאחר מכן  במדינות שכנות כמו קוריאה ויפן, הביאה לריקון מלאי חומרי הבדיקה. כעת, עם המעבר למגיפה עולמית, מפעלי החברות אינם עומדים בביקוש, ונוצר מחסור עולמי, המוביל להגבלת מספרי הבדיקות שניתן לבצע בדיוק בעת שהכי נזקקים להן.

 

איך כל זה קשור למעבדות המחקר במכון למדעי החיים? 

במחקר השוטף במעבדתי אנו מרצפים RNA מהרבה דגימות קטנות מאד, ועלינו להתמודד עם ניקוי ה- RNA. ידע זה איפשר לנו לפתח בעידן המגפה העולמית שיטה העוקפת את המחסור בחומרים הייעודיים לבדיקה ומאפשרת את בידוד ה-RNA ישירות מתמיסת הניטרול.

 

מהי השיטה החדשה? 

מדובר בשימוש בחרוזים מיקרוסקופיים (קוטר של מיקרון) שהליבה שלהם היא פאראמגנטית (ז״א נהפכת למגנט כאשר מופעל עליהם שדה מגנטי). הקליפה החיצונית של החרוז מורכבת מפולימר טעון שלילית. אופן השימוש בחרוזים בנוי על רעיון פשוט. בתמיסה מימית המטען של החרוז דוחה חומצות גרעין (RNA ו-DNA שגם הן טעונות שלילית). לעומת זאת אם מוסיפים לתמיסה יונים חיוביים (ז״א מלח) ופולימר בשם polyethylene glycol (או בקצרה PEG ) מתרחש מהפך. מולקולת ה-PEG לוכדות את מולקולות המים אשר שומרות את חומצות הגרעין בתמיסה. מצד שני היונים החיוביים מנטרלים את המטענים השלילים. בריכוז הנכון של מלח ו-PEG  מתחילות חומצות הגרעין לחבור זו לזו וגם למשטח של החרוזים. כעבור זמן קצר נספחות רוב חומצות הגרעין בתמיסה לחרוזים. בשלב זה משתמשים במגנט חזק על מנת למשוך את החרוזים עם ה-RNA שעליהם אל דופן המבחנה. כעת ניתן לבודד את החרוזים וחומצות הגרעין מתמיסת הניטרול ולסלק אותה. אם נוסיף מים לדוגמאות לאחר סילוק תמיסת הניטרול, נהפוך את שיווי המשקל וחומצות הגרעין יתמוססו מחדש במים שהוספנו. כך נקבל תמיסה המכילה רק את חומצות הגרעין.

כדי להפוך שיטה זאת לכלי עבודה שגרתי צריך לאפשר למעבדת האבחון הקליני לבצע את התהליך במקביל על מספר רב של דגימות באופן נקי מטעויות. לכן היה לנו חשוב להעביר את פרוטוקול הניקוי למימוש על רובוט. מדובר במכשיר שיש לו יכולת לעבוד עם 96 דוגמאות במקביל. היו מספר אתגרים במימוש, אבל ״במקרה״ היה לנו פתרון שפיתחנו למטרה אחרת במעבדה שגם דרש ניקוי חומצות גרעין. כך בזמן קצר ובעזרתו של מתנדב מומחה ברובוטיקה הצבנו מערכת עובדת תוך ימים ספורים.

 

מדוע הפיתוח החדש שלנו מוצלח ויעיל? 

ראשית, למעט החרוזים, יתר החומרים הם זולים ונגישים. מסתבר שגם החרוזים עצמם לא מאד יקרים, והשגנו כמות שתספיק למספר עצום של דגימות (מעל לחצי מליון). כך פתרנו את התלות בריאגנטים שנהפכו למצרך נדיר. 

שנית, גילינו שהתהליך החדש יעיל יותר מהתהליכים המצויים בשימוש כיום - מספיק להשתמש בשישית מנפח הדגימה המקורית של התאים כדי להפיק כמות זהה של RNA. יתר על כן, התהליך גם מהיר יותר. 

לבסוף, כיוון שהפרוטוקול גלוי ונטול סודות מסחריים, חומרים סודיים, ופלסטיקה ייעודית, אפשר לממש אותו על מכשירים רובוטיים מסוגים שונים המצויים במעבדות מחקר. העובדה שהצלחנו לקצר צעד של 2-4 שעות (תלוי בסוג המכשיר הייעודי) לחצי שעה מאפשרת להגדיל בצורה משמעותית את התפוקה של מעבדת האבחון ולבצע כמות בדיקות מוגדלת לצורך ההתמודדות עם המגפה.  

בשלב זה אנו חותרים לפתח שיטות בדיקה יעילות אף  יותר ע״י החלפת שלב המדידה (שלב 4) משימוש ב- RT-PCR לכלים של ריצוף DNA ו-RNA. 

 

במהלך הדרך נבנתה קבוצה הכוללת חוקרים מהמכון למדעי החיים ומהמרכז למדעי המח, מנהלי מעבדות, סטודנטים ומתנדבים. יחד עם הקולגות בביה״ס לרפואה ובהדסה הצלחנו להתקדם בצעדים מהירים לכיוון זה. ההתגייסות של קבוצה גדולה של מדענים מרקעים שונים איפשרה לבדוק כיוונים רבים במקביל, וכך במספר שבועות התקדמנו כברת דרך מרשימה שבזמן שגרה הייתה דורשת חודשי עבודה. בגלל סכנת המגפה התחלקנו לצוותים קטנים שעובדים בחדרי מעבדות נפרדים. דיונים על תוצאות ותכנון ניסויים נעשים בזום וטלפון. 

 

תודה רבה לכל השותפים במלאכת הפיתוח:

 

מעבדת ניר פרידמן (המכון למדעי החיים)

אלון אפלבוים, עומר גרשון, דפנה יוסף שטראוס, מתן לוטם, רונית מושל, גבריאל פוליאקוב, אילת רהט, רונן שדה, איסראא שרקיה 

 

שותפים נוספים מהמכון למדעי החיים

חגית טורם, מלכה נסים רפיניא

 

מעבדת נעמי חביב (ELSC)

מאשה אדם, דני קיצברג

 

מעבדת יובל דור (ביה"ס לרפואה)

אנייס קלושנדלר

 

דנה וולף (הדסה)

 

מומחי רובוטיקה

משה כהן, אורי שאבי

 

אני מקווה שלא רחוק היום שנוכל להצטלם לתמונה קבוצתית בלי חשש הדבקה. עד אז מקווה שכולנו ואתם נשמור על כללי הבטיחות ועל בריאותנו.

 

פרסום השיטה

 

קיראו גם ב-ynet

בדיקה רובוטית