شناخت ویروس ها و عفونت های ویروسی با روش های بیوفتونیک

(الف) نمودار شماتیک تصویربرداری و طیف‌سنجی فتوترمال فروسرخ میانی تداخل سنجی هم کانونی (MIP)، (B) تصویر پراکندگی تداخل سنجی یک ویروس آبله منفرد، تصویر MIP از همان ویروس آبله در (C) 1550 cm-1 و (D) در 1650 cm-1، (E) به طور مثال طیف MIP از چهار ویروس آبله مختلف. 

شناخت ویروس ها و عفونت های ویروسی با روش های بیوفتونیک

خلاصه

در چند دهه اخیر، شیوع عفونت‌های ویروسی اغلب زیرساخت‌های بهداشتی در سراسر جهان را به چالش کشیده و علیرغم پیشرفت در فناوری‌های تشخیصی، بار مالی قابل‌توجهی و همچنین رنج انسانی را به همراه داشته است. شیوع اخیر ویروس ابولا در قاره آفریقا، ویروس زیکا در قاره آمریکا، سندرم حاد تنفسی (SARS)، سندرم تنفسی خاورمیانه (MERS)، آنفولانزای A و اخیراً سندرم حاد تنفسی ویروس کرونا 2 (SARS-CoV) -2) عفونت های ویروسی بارها و بارها اهمیت پیشرفت تکنولوژی را برجسته کرده اند که درک بهتر ویریون ها را ممکن می سازد. در این بررسی، ما به طور سیستماتیک جنبه‌های مختلف ویریون‌ها و چگونگی بررسی خواص و عملکردهای آنها را با استفاده از فناوری‌های مختلف مبتنی بر نور مورد بحث قرار می‌دهیم. ما بر طبقه بندی ویریون، تشخیص و تعامل با سیستم ایمنی میزبان تمرکز می کنیم. علاوه بر این، پتانسیل روش‌های بیوفتونیک پیشرفته، به عنوان مثال، رامان، بازتاب مادون قرمز، طیف‌سنجی جذب و فلورسانس، تکنیک‌های میکروسکوپی پیشرفته و رویکردهای مبتنی بر حسگر زیستی برای تشخیص عفونت‌های ویروسی، بررسی درمان‌ها و توسعه واکسن شرح داده شده است. اگرچه پیشرفت‌های قابل توجهی قبلاً در فناوری‌های فوتونیک انجام شده است، که حتی امکان تجسم تعاملات ویریون-میزبان را در سطح تک سلولی فراهم می‌کند، تکامل مداوم ویروس‌ها نیازمند پیشرفت بیشتر در راه‌حل‌های بیوفوتونی برای دستگاه‌های نظارت بر سلامت سریع، مقرون‌به‌صرفه و قوی برای غربالگری عفونت‌های ویروسی است.

میکروسکوپ جذبی تشدید کننده فوتونیک

میکروسکوپ جذبی تشدید کننده فوتونیک

کریستال های فوتونیک تشدید کننده های نوری هستند که به طور گسترده برای میکروسکوپ با وضوح دیجیتال و سنجش زیستی مورد بررسی قرار می گیرند [42، 43]. بلورهای فوتونیک دارای آرایش تناوبی هستند که دارای گذردهی دی الکتریک هستند که به عنوان یک آنالوگ نوری برای پتانسیل اتمی الکترون ها عمل می کند [44]. طول موج‌های تشدید با دستکاری میدان‌های الکترومغناطیسی مرتبط با نور ساطع شده از کریستال‌های فوتونیک تولید می‌شوند. به این ترتیب، یک موج ایستاده الکترومغناطیسی که شدت های نسبت به شدت منبع نور روشن کننده را نشان می دهد تولید می شود [45-47]. علاوه بر این، نشان داده شده است که نانوذرات طلا (AuNP) با رزونانس پلاسمون سطح موضعی (LSPR) با میدان الکترومغناطیسی تشدید کننده یک کریستال فوتونی همپوشانی دارند، که منجر به تقویت قابل توجه راندمان جذب می‌شود [48]. این ترکیبی از نانوذرات طلا و سطح بلورهای فوتونیک، مشاهده تک تک نانوذرات طلا را با میکروسکوپ نوری معکوس معمولی امکان پذیر می کند. در این روش، جذب نانوذرات افزایش یافته، نوری را که به درون هدف میکروسکوپ منعکس می‌شود، کاهش می‌دهد. میکروسکوپ جذبی تشدید کننده فوتونیک نوعی میکروسکوپ حسگر زیستی است که از جفت تشدید کریستال های فوتونی-AuNP استفاده می کند [49-51]. همانطور که توسط Canady و همکارانش اشاره شد، شدت نور منعکس شده از بلورهای فوتونی در حضور هر نانوذره زمانی که طول موج تشدید پلاسمون سطحی نانوذره با طول موج تشدید بلور فوتونی مطابقت داشته باشد، به صورت موضعی خاموش می شود [49]. آنها حساسیت فوق العاده (<1 بعد از ظهر) و همچنین انتخاب عدم تطابق تک پایه و حد تشخیص 100-aM را از طریق سنجش تمایز جنبشی نشان دادند [49]. چن و همکاران استفاده از یک رویکرد وضوح زیر میکرونی بدون برچسب به نام میکروسکوپ افزایش‌یافته کریستال فوتونی را مورد مطالعه قرار دادند که از سطح حسگر زیستی کریستال فوتونی به عنوان بستری برای اتصال سلولی برای درک اتصال و مورفولوژی سلول‌های بنیادی دندانی موش استفاده می‌کند. مطالعه مرور زمان شامل کموتاکسی با یک شیمی‌کشنده در شکل 4 نشان داده شده است [46]. ژائو و همکاران استفاده از یک بیوسنسور نوری کریستال فوتونی پوشش داده شده با پروتئین نوترکیب سنبله را برای تشخیص کمی سطح IgG سرولوژیکی انسان در برابر ویروس SARS-CoV-2 مطالعه کردند. این رویکرد تک مرحله‌ای و بدون شستشو از نانوذرات طلای عاملدار شده با آنتی‌بادی استفاده می‌کند که مجتمع‌های ایمنی ساندویچی را تشکیل می‌دهند. رویکردی به نام «کنترل فعال + شمارش دیجیتال» (AC + DC) تشخیص 100 pg mL-1 از COVID-19 IgG انسانی را در نمونه‌های سرم در طی یک سنجش 15 دقیقه‌ای امکان‌پذیر کرد [50]. Ghosh و همکارانش استفاده از میکروسکوپ جذبی تشدید کننده فوتونی را با روشنایی از یک نور پلاریزه که از یک LED قرمز با شدت کم ساطع می‌شود و تشخیص با یک سنسور تصویر CMOS ارزان قیمت برای مراقبت‌های زیستی ارزان قیمت توصیف کردند. آنها تشخیص توالی های miRNA را با محدودیت تشخیص 160 صبح با زمان سنجش 30 دقیقه نشان دادند [52].

توموگرافی کامپیوتری با گسیل تک فوتون

توموگرافی کامپیوتری با گسیل تک فوتون

با پیشرفت در تشخیص مولکولی و رادیولوژیکی، توموگرافی کامپیوتری گسیل تک فوتون (SPECT) یکی از تکنیک های تصویربرداری قدرتمند برای بررسی جریان خون به بافت ها و اندام ها در نظر گرفته می شود. این یک تکنیک تصویربرداری هسته ای است که توموگرافی کامپیوتری و استفاده از ردیاب های رادیواکتیو را ترکیب می کند. دومی به تشخیص جریان خون به اندام ها برای تشخیص عفونت ها، تومورها، تشنج و سایر شرایط پزشکی کمک می کند [32]. به طور معمول، فلوئور-18، ید-123، تالیم-201 و زنون-133 ایزوتوپ های رادیویی مورد استفاده در این تکنیک هستند. داس و همکاران نشان دادند که توموگرافی کامپیوتری با انتشار تک فوتون پرفیوژن (Q) در تشخیص آمبولی ریه در یک گروه شش نفره از بیماران مبتلا به عفونت SARS-CoV-2 مفید بود [31]. Vöö و Dizdarevic اشاره کردند که ادغام SPECT با توموگرافی کامپیوتری با دوز پایین برای تشخیص حوادث ترومبوآمبولیک وریدی در بیماران COVID-19 مفید است. فقط پرفیوژن SPECT ممکن است در بیماران حامله COVID-19 استفاده شود [33]. Cobes و همکاران نشان دادند که SPECT با توموگرافی کامپیوتری با دوز پایین ممکن است برای تشخیص آمبولی ریه در بیماران تحت درمان پنومونی COVID-19 از طریق مشاهده ناهنجاری‌ها در تهویه و پرفیوژن استفاده شود [34].

تبدیل فوریه طیف سنجی مادون قرمز

تبدیل فوریه طیف سنجی مادون قرمز

استفاده از طیف‌سنجی مادون قرمز برای تشخیص بیماری COVID-19 نسبتاً جدید است. تلاش‌هایی برای جفت کردن ابزارهای طیف‌سنجی با مدل‌های هوش مصنوعی به منظور شناسایی ویروس SARS-CoV-2 انجام شده است. کیتان و همکاران روشی را برای شناسایی SARS-CoV-2 با استفاده از نمونه‌های RNA استخراج‌شده با ترکیب تکنیک‌های FTIR و یادگیری ماشین (ML) توسعه داد. نمونه های نازوفارنکس جمع آوری شده از 280 بیمار برای استخراج RNA پردازش شدند. دامنه های طیفی FTIR که در 600-1350 cm-1 قرار دارند. 1500-1700 cm-1؛ و 2300-3900 cm-1 به اثر انگشت RNA نسبت داده شد [20]. مشتقات طیف خام به‌دست‌آمده برای عادی‌سازی داده‌های طیف تبدیل‌شده استفاده شد. الگوریتم های یادگیری ماشین برای ساخت مدل های طبقه بندی استفاده شد. تعداد زیادی نمونه و تکنیک‌های طبقه‌بندی پراکنده برای بهبود ویژگی، حساسیت و دقت تجزیه و تحلیل داده‌ها و همچنین برای افزایش قابلیت تفسیر مدل‌ها استفاده شد. این رویکرد پس از استخراج RNA تنها چند دقیقه زمان آزمایش می‌برد و در عین حال ویروس SARS-CoV-2 را با حساسیت 97 درصد، دقت 97.8 درصد و ویژگی 98.3 درصد تشخیص می‌دهد. در مطالعه دیگری، ژانگ و همکاران از تکنیک تشخیص ATR-FTIR برای تشخیص بیماری COVID-19 در نمونه های سرم 3 میکرولیتری استفاده کردند. تجزیه و تحلیل ترکیبی طیف‌سنجی و آماری برای نمونه‌های مثبت COVID-19 و نمونه‌های کنترل انجام شد. تجزیه و تحلیل جزئی حداقل مربعات متمایز (PLS-DA) به تمایز سویه ویروسی SARS CoV-2 از التهاب یا سایر عفونت‌های ویروسی تنفسی کمک کرد. این رویکرد یک ناحیه زیر منحنی مشخصه عملکرد گیرنده (AUROC) مقدار 0.956 [21] را ارائه کرد. به طور مشابه، Banerjee و همکاران روش اکتساب ATR-FTIR را به ترتیب با مدل های تجزیه و تحلیل تفکیک حداقل مربعات جزئی (PLS-DA) به کار بردند. در نظر گرفتن طیف ATR-FTIR و پارامترهای بالینی (به عنوان مثال، جنس، سن، وضعیت فشار خون بالا و وضعیت دیابت) باعث افزایش سطح زیر منحنی ROC (AUC) شد، که نشان می‌دهد این پارامتر چقدر خوب می‌تواند بین بیمار و نرمال تشخیص دهد. هم برای داده های آموزشی و هم برای داده های آزمون. مجموعه آزمون مستقل 94.1٪ حساسیت و 69.2٪ ویژگی به دست آورد. نمونه هایی از بیماران دیابتی، منطقه FTIR 1020-1090 cm-1 و FTIR منطقه 1588-1592 cm-1 قوی ترین پیش بینی کننده ها بودند [22]. گولکن و همکاران تشخیص بیماری کووید-19 را در سرم خون زنان علامت دار و بدون علامت و باردار مورد مطالعه قرار دادند. نمونه های زنان باردار مبتلا به بیماری کووید-19 و زنان باردار سالم مورد مقایسه قرار گرفتند [23]. نمونه ها با استفاده از FTIR آنالیز شدند. تغییرات اوج با رویکردهای یادگیری ماشین چند متغیره (به عنوان مثال، یک الگوریتم جنگل تصادفی، یک الگوریتم درخت تصمیم تک C5.0، و یک شبکه عصبی عمیق) تجزیه و تحلیل شد. سطوح بیوشیمیایی، سطح سلول‌های خون محیطی و پارامترهای انعقادی برای زنان باردار در شکل 2 نشان داده شده است. دقتی بیش از 90 درصد با استفاده از این رویکرد نشان داده شد [23].

طیف سنجی جذب مادون قرمز با سطح افزایش یافته است

طیف سنجی جذب مادون قرمز با سطح افزایش یافته است

طیف‌سنجی جذبی مادون قرمز تقویت‌شده سطحی (SEIRAS) یک تکنیک حساس به سطح است که در آن مولکول‌های بیولوژیکی با بهره‌برداری از ویژگی‌های الکترومغناطیسی لایه‌های فلزی نانوساختار شناسایی می‌شوند که اثر انگشت ارتعاشی مولکول‌ها را افزایش می‌دهد [16]. در ابتدا، مولکول ها روی سطح رسانا (فلزی) لایه نازک جذب می شوند. هنگامی که پرتوهای مادون قرمز بر روی مولکول های جذب شده تابش می شود، حالت های ارتعاشی مولکول ها حالت های دوقطبی را در ذرات فلزی نانوساختار القا می کنند. این ارتعاشات مولکولی را می توان با نانوذرات مجاور در میدان نزدیک جفت کرد و جذب مادون قرمز را افزایش داد [17]. به این ترتیب، مقادیر کمی از مولکول های آنالیت را می توان با حساسیت بالا از طریق افزایش جذب مادون قرمز شناسایی کرد. به دلیل سرعت و دقت، SEIRAS به طور گسترده ای برای مطالعه فتوشیمی سطح و واکنش های کاتالیزوری و همچنین برای شناسایی مولکول های مختلف بیولوژیکی استفاده می شود [18، 19]. به عنوان مثال، یائو و همکاران. استفاده از اثر SEIRAS را برای شناسایی SARS-CoV-2 با تجزیه و تحلیل برهمکنش نمونه‌های حاوی SARS-CoV-2 با پروب‌های DNA تک رشته‌ای که بر روی سطح فیلم‌های نانوجزیره طلای تبخیر شده عامل‌دار شده بودند، نشان داد. پروب های DNA تک رشته ای حاوی توالی های ژنومی مرتبط با SARS-CoV-2 بودند. طیف SEIRAS از نمونه‌های حاوی RNA ویروسی با نمونه‌های کنترل بدون RNA ویروسی مقایسه شد. این روش تشخیص 1 میکرومولار اسید نوکلئیک SARS-CoV-2 را بدون تقویت در کمتر از 5 دقیقه امکان پذیر کرد [16]. علاوه بر این، SEIRAS همراه با تیمار تقویت پلیمراز ریکامبیناز، تشخیص نوکلئیک اسید SARS-CoV-2 را در ساعت 5 صبح در 30 دقیقه امکان پذیر کرد.

روش‌های جدید فوتونیک برای تشخیص عفونت SARS-CoV-2

توسعه یک رویکرد قابل اعتماد، سریع و کم هزینه با افزایش حساسیت برای تشخیص ویروس SARS-CoV-2 و بیماری COVID-19 یک اولویت مهم جامعه علمی است. این بررسی مروری بر رویکردهای فوتونیکی ارائه می دهد که برای تشخیص عفونت SARS-CoV-2 و بیماری COVID-19 در حال بررسی هستند.

فناوری فوتونیک تست بزاق سریع و حساس را برای COVID-19 فعال می کند

محققان ICFO-The Institute of Photonic Sciences و IrsiCaixa Research AIDS، هر دو در اسپانیا، یک ابزار قابل حمل کم هزینه جدید را نشان داده اند که نور و مایع را برای تشخیص سریع و قابل اعتماد SARS-CoV-2 در نمونه های بزاق دستکاری می کند. اگرچه هنوز در مرحله تحقیق است، اما دستگاه جدید می تواند حساسیت بالاتری نسبت به تست های آنتی ژن سریع COVID-19 امروزی ارائه دهد و در عین حال سریع تر و مقرون به صرفه تر از آزمایش های PCR است.

آلفردو اونگارو، محقق از ICFO، گفت: ابزار ما که فقط به چند قطره بزاق نیاز دارد، برای نمایش انبوه در محیط‌هایی مانند رستوران‌ها، مدارس، دفاتر، تئاترها و سینماها مفید است. علاوه بر این، این فناوری را می‌توان به راحتی برای شناسایی نشانگرهای دیگر پاتوژن‌ها، از جمله مواردی که ممکن است در شیوع‌های آتی دخیل باشند، سازگار کرد.

در مجله Optica Publishing Group در مجله Biomedical Optics Express، محققان گزارش دادند که این سیستم به درستی 91.2 درصد موارد مثبت COVID-19 و 90 درصد موارد منفی را در آزمایش بیش از 50 نمونه بزاق منجمد شده قبلی تشخیص داده است. این آزمایش می‌تواند مقادیر بسیار کمی از ویروس را مانند آزمایش‌های PCR اندازه‌گیری کند، اما به اندازه آزمایش‌های آنتی ژن سریع است.

این ابزار جدید، که محققان آن را خواننده جریان ویروس سنجی می نامند، بر اساس اصلاح فلوسیتومتری، یک تکنیک مبتنی بر لیزر است که از فلورسانس برای شمارش یا تجزیه و تحلیل سلول ها استفاده می کند. دستگاه جدید به جای شمارش سلول‌ها، انتشار نور از آنتی‌بادی‌های فلورسنت را که به ذرات ویروسی خاص متصل می‌شوند، تشخیص می‌دهد. با استفاده از ابزاری که به اندازه یک جعبه کفش است، می تواند نتایج کمی را در کمتر از 30 دقیقه ارائه دهد.

Ongaro گفت: "با توجه به هزینه کم و طراحی ساده، خواننده ویروس سنجی جریان می تواند به ویژه برای کشورهای کم درآمد با دسترسی محدود به مراقبت های بهداشتی مفید باشد." ماریسا رودریگز و خورخه کاریلو، محققان مؤسسه تحقیقاتی ایدز IrsiCaixa توضیح دادند، همچنین، کاربران غیرمتخصص به راحتی می توانند دستگاه را کار کنند، و آزمایش را می توان در هر مکانی انجام داد، زیرا نیازی به آزمایشگاه تخصصی نیست.

COVID-19 و فوتونیک

خلاصه

COVID-19 و فوتونیک

بیماری همه گیر COVID-19 زندگی ما را به طرز چشمگیری تغییر داده است. براساس WHO ، از اکتبر سال 2020 ، ممکن است 10 درصد از جمعیت جهان به ویروس کرونا آلوده شده باشند ، که منجر به بیش از یک میلیون مرگ تایید شده می شود.  

تحقیقات در مورد درمان و مدیریت COVID-19

تیمی از محققان پژوهشگاه علوم فوتونیک (ICFO) و کارشناسان در زمینه اپتیک پراکندگی در ایجاد دستگاه بیوفوتونیک طراحی شده برای آزمایش کارآیی درمانهای COVID-19 اختصاصی با هدف سلامت کوچکترین رگهای خونی بدن همکاری می کنند . دستگاه آن ، که مانند یک واحد اندازه گیری فشار خون مشترک است ، پاسخ میکروسکوپلاستی طولانی مدت به انسداد کاف شریانی در عضلات محیطی ، مانند دستگاه های موجود در ساعد را اندازه گیری می کند ، و ایجاد یک نشانگر نشانگر سلامت اندوتلیال (و ریز عروقی) را ایجاد می کند.