פרוטוקול זה מתאר שיטה מבוססת שבב מיקרופלואידי משולב למגבור איזותרמי באמצעות לולאה (LAMP), המאפשרת זיהוי בנקודת הטיפול של 15 פתוגנים הגורמים לזיהומים בדרכי הנשימה התחתונות אצל חולי טיפול נמרץ תוך שעה אחת.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
* These authors contributed equally
פרוטוקול זה מתאר שיטה מבוססת שבב מיקרופלואידי משולב למגבור איזותרמי באמצעות לולאה (LAMP), המאפשרת זיהוי בנקודת הטיפול של 15 פתוגנים הגורמים לזיהומים בדרכי הנשימה התחתונות אצל חולי טיפול נמרץ תוך שעה אחת.
זיהומים של דרכי הנשימה התחתונות (LRTIs) הם מהגורמים המובילים להידרדרות קלינית ולמוות בקרב חולים במצב קריטי. ביחידה לטיפול נמרץ (ICU), זיהוי מהיר של הפתוגן הגורם לזיהום חיוני למתן טיפול אנטימיקרוביאלי הולם; עם זאת, שיטות תרבית קונבנציונליות דורשות 3 עד 5 ימים ובעלות שיעורי חיוביות שאינם אופטימליים, במיוחד עבור פטריות. גישות מולקולריות כגון PCR מקצרות את זמן התוצאה אך עדיין תלויות במיצוי ידני של חומצות גרעין ובמעגלי טמפרטורה (thermocycling), מה שמגביל את התאמתן לשימוש לצד מיטת החולה. פרוטוקול זה מתאר זרימת עבודה של בדיקה בנקודת הטיפול (point-of-care) המבוססת על שבב מיקרופלואידי אינטגרלי בצורת דיסק (CD chip), המשלב טיהור חומצות גרעין מבוסס חרוזי מגנט עם הגברה איזותרמית באמצעות לולאה (LAMP). לאחר שלב מפושט של הנזלה וליזיס ידנית, הדגימה המעובדת נטענת על השבב יחד עם שני מבחולי ריאגנטים ארוזים מראש. המכשיר מבצע לאחר מכן באופן אוטונומי מיצוי, הגברה ב-65 °C וקריאת פלואורסצנציה בזמן אמת, ומספק תוצאות איכותיות עבור 15 מטרות, הכוללות 11 חיידקים, 3 פטריות ופתוגן לא טיפוסי אחד, בתוך 45 min של זמן ריצת המכשיר (כ-1 h עבור זרימת העבודה המלאה מהדגימה לתשובה, כולל שלב עיבוד המדגם הידני). אנו מציגים נתוני זיהוי מ-10 דגימות מ-ICU, כולל ליחה, שאיפות סימפוניות ונוזל שטיפת סימפונית-נאשית (BAL), המקיפות הן זיהומים של פתוגן בודד והן זיהומים פולימיקרוביאליים המערבים עד 7 אורגניזמים על שבב בודד. עיצוב המחסירה הסגורה ממזער את הסיכון לזיהום באמצעות רסס (aerosol), ושלב הטעינה הבודד אינו דורש הכשרה מיוחדת, מה שממצב מערכת זו ככלי אבחון מעשי לצד מיטת החולה עבור צוותי ה-ICU.
בקרב חולים במצב קריטי ביחידה לטיפול נמרץ (ICU), זיהומים בדרכי הנשימה התחתונות, כאשר דלקת ריאות הקשורה למסייע נשימה (VAP) היא העיקרית שבהם, נותרים גורם מתמיד לתחלואה, להארכת ההנשמה המכנית ולעלייה בתמותה1,2. המפה המיקרוביולוגית של זיהומים בדרכי הנשימה התחתונות (LRTIs) שנרכשו בטיפול נמרץ שונה באופן ניכר מזו של מחלות שנרכשו בקהילה. חיידקים גרם-שליליים עמידים לריבוי תרופות (Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, Acinetobacter baumannii) הם השולטים, לעיתים קרובות כחלק ממקבצים פולימיקרוביאליים המסבכים את משטרי הטיפול האמפיריים3,4. פטריות אופורטוניסטיות מוסיפות רובד נוסף של מורכבות. אספרגילוזיס ריאתי פולשני, שנחשב בעבר למאפיין של דיכוי חיסוני עמוק, מזוהה כיום בתדירות גוברת בחולי טיפול נמרץ שאינם נויטרופנים, ובמיוחד לאחר שפעת חמורה ו-COVID-195. אלגוריתמים אבחנתיים קיימים לאספרגילוזיס משלבים תרבית בעלת נבחה נמוכה עם בדיקה לנוגדן גלקטומנאן (GM), אך בדיקת ה-GM מוגבלת על ידי חלונות אבחנתיים מתועדים היטב ורגישות משתנה במארחים שאינם נויטרופנים6. כל שעת עיכוב בתחילת טיפול אנטימיקרוביאלי מתאים לאלספסיס קשורה לעלייה מדידה בתמותה7. יחד, המהירות והמורכבות של זיהומי טיפול נמרץ מחייבות כלים אבחנתיים שיכולים לעמוד בדרישה הקלינית הדחופה.
תרבית מיקרוביולוגית סטנדרטית, למרות היותה חיונית לבדיקות רגישות, מוגבלת מהותית מקצב הביצוע: זמן התוצאות נמשך 3 עד 5 ימים, מיקרואורגניזמים תובעניים (fastidious) מתפספסים, ושיעור החיוביות של תרביות פטריות נותר נמוך8. רצף דור הבא מטא-גנומי (mNGS) מציע חלופה לא מוטה, אך אימוצו הקליני מוגבל בשל עלויות, זמני עיבוד של 24 עד 48 שעות, הסתמכות על צינורות עיבוד ביו-אינפורמטיים וישימות מוגבלת בנקודת הטיפול (point-of-care)9. פאנלים מבוססי PCR צמצמו את פער הזמנים, אך הם עדיין דורשים הפקת חומצות גרעין רב-שלבית, מכשור למחזורי תרמי (thermal cycling) ובפורמטים קונבנציונליים, גםת אספורזה פוסט-אמפליפיקציה10. אף אחת מפלטפורמות אלו אינה עונה במלואה לדרישות המצטברות של מחלקת טיפול נמרץ (ICU): מהירות של פחות משעה, זמן עבודה ידני מינימלי, כיסוי פתוגנים מרובה (multiplexed) כולל פטריות, ופשטות תפעולית המספיקה עבור צוות שאינו אנשי מעבדה.
הגברה איזותרמית מתווכת לולאה (LAMP) נותנת מענה למספר מהמגבלות הללו. השיטה, שתוארה לראשונה על ידי Notomi et al., מגבירה DNA מטרה בטמפרטורה קבועה של 65 °C באמצעות סט של ארבעה עד שישה פריימרים המזהים שישה אזורים מובחנים, המונעת על ידי פולימרזה בעלת יכולת החלפת גדיל11. התגובה מייצרת מבני אמפליקון אופייניים מסוג לולאה-גבעול (stem-loop) ומבנים דמויי כרובית, הניתנים לזיהוי באמצעות פלואורסצנציה בזמן אמת, המניבים עקומות בצורת S תוך דקות ספורות מחציית הסף. הרגישות בריכוזי תבנית נמוכים היא גבוהה, ותכנון הרב-פריימר מעניק סלקטיביות המגבילה תוצאות חיוביות שגויות12,13. כאשר היא משולבת עם פלטפורמות של שבבי מיקרופלואידיקה, ניתן להריץ LAMP במקביל עבור מספר מטרות מדגימה בודדת14. עבודות קודמות הראו כי מערכות שבבי LAMP מזהות פתוגנים נשימתיים עם זמן תגובה קצר בהרבה משלוש שעות15. עם זאת, מגבלה מרכזית של מערכות אלה היא התלות בתהליך נפרד וידני של מיצוי DNA, המוסיף זמן, מורכבות תפעולית וסיכון לזיהום.
המערכת המתוארת כאן מבטלת צוואר בקבוק זה. המערכת, הבנויה סביב שבב מיקרופלואידי חד-פעמי בצורת דיסק (בקוטר 86 mm), משלבת טעינת דגימה, טיהור חומצות גרעין מבוסס חרוזיים מגנטיים והגברה מסוג 16-plex LAMP בתוך מחסנית אטומה אחת (איור 1). המפעיל מבצע רק שלב קצר של הנזלה-ליזיס ידני באמצעות צינור עיבוד שתוכנן למטרה זו, ולאחר מכן טוען את הליזט ושני מבחלי ריאגנטים אל השבב (איור 2). מנקודה זו ואילך, המכשיר מבצע באופן אוטונומי את המיצוי, הגברה איזותרמית ב-65 °C ורכישת פלואורסצנציה, ומספק תוצאות איכותיות עבור 15 מטרות בעלות רלוונטיות קלינית: 11 חיידקים, 3 פטריות (Aspergillus spp., Candida albicans, Pneumocystis jirovecii), ופתוגן שאינו טיפוסי אחד (Mycoplasma pneumoniae), בתוך 45 min. גן ממשפחת neuroblastoma breakpoint family (NBPF) המשמש כבקר פנימי מהליך תיקוף את הלימות הדגימה ואת שלמות התגובה בכל בדיקה. פרוטוקול זה מספק הוראות שלב-אחר-שלב לכל זרימת העבודה, החל מאיסוף דגימות ביחידה לטיפול נמרצים (ICU), דרך עיבוד מקדמי, טעינת שבב, זיהוי אוטומטי ופירוש התוצאות, והוא מיועד הן לצוותי מעבדה קלינית והן לצוותים לצד מיטת החולה ביחידה לטיפול נמרצים.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
כל הדגימות נאספו תחת פרוטוקול שאושר על ידי ועדת הבקרת האתיקה של בית החולים של Peking Union Medical College, האקדמיה הסינית למדעי הרפואה (מספר אישור I-24PJ1778). הסכמה מודעת בכתב התקבלה מכל משתתף או מנציגו המורשה על פי חוק לפני איסוף הדגימות. פאנל הפתוגנים המטרה והקצאות בארי בארי התגובה מפורטים ב- טבלה 1, והחומרים המתכלים ששימשו במהלך עיבוד המדגמים מפורטים ב- טבלה 2.
1. איסוף דגימות קליניות מהדרכים הנשימיות התחתונות ביחידה לטיפול נמרץ (ICU)
2. הנזלה וליזיס של פתוגנים
3. טעינת השבב וגילוי אוטומטי
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
עם השלמת הרצה תקפה, המכשיר הציג עקומות פלואורסצנציה בזמן אמת עבור כל 16 הערוצים. ערוצים חיוביים הראו קינטיקת הגברה בצורת S הצפויה, עם ערכי TP מסומנים אוטומטית, בעוד שערוצים שליליים נשארים בקו הבסיס. ערוץ ה-IC (באר 16) הניב עקומה בצורת S עם TP < 12 min בכל ההרצות התקפות.
כהדגמה ראשונית להוכחת ההיתכנות (proof-of-concept) של הפרוטוקול, נבחרו 10 דגימות מייצגות כדי להדגים את מגוון התרחישים הקליניים הנפוצים בפרקטיקה של יחידה לטיפול נמרץ (ICU), כולל 6 שאיבות סימפוניאליות (BAS), 2 דגימות של נוזל שט...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
זיהוי מהיר של פתוגנים הוא קריטי לניהול זיהומים ביחידה לטיפול נמרץ (ICU). המערכת המתוארת כאן מקצרת את הזמן עד לזיהוי הפתוגן מ-3 עד 5 הימים הדרושים בדרך כלל לתרבית לפחות משעה אחת, מסגרת זמן שבה מתקבלות לעיתים קרובות החלטות לגבי טיפול אנטימיקרוביאלי בקו ראשון7. על ידי שילוב של מיצוי חומצות גרעין, טהרה והגברה של 16-plex LAMP בתוך שבב אטום אחד, זרימת עבודה זו מבטלת את שלב מיצוי ה-DNA הידני, שהיה צוואר הבקבוק התפעולי העיקרי של פלטפורמות שבבי LAMP מוקדמות יותר15. התוצאה היא הליך ט...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
המחברים מצהירים כי אין להם ניגודי אינטרסים.
פרויקט מדע וטכנולוגיה לאומי מרכזי למחלות כרוניות לא מדבקות (מס' 2023ZD0516500), מימון למחקר קליני בבית חולים ברמה גבוהה לאומית (2026-PUMCH-A-103), תוכנית תחרות פתוחה של CMB (24-561) ותוכנית לטיפוח כישרונות של בית החולים של המכללה הרפואית של בקינג יוניון (מס' UGG11571).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| מנתח חומצות גרעיניות אוטומטי | Beijing Taihao Biotechnology Co., Ltd | THE-T80-01 | TurboFlow T; מבצע חלוקת ריאגנטים בצנטריפוגה, מיצוי באמצעות חרוזי מגנט, LAMP ב-65 °C, וגילוי פלואורסצנציה בזמן אמת (זמן ריצה של כ-45 min) |
| פיפטת פסטור חד-פעמית מס' 1 | Zhongtai Experimental Equipment Factory (Haimen) | Custom-made | מתכלה חד-פעמית; 0.5 mL; להעברת דגימה הומוגנית לשפופרת ליזיס |
| פיפטת פסטור חד-פעמית מס' 2 | Zhongtai Experimental Equipment Factory (Haimen) | Custom-made | מתכלה חד-פעמית; 2 mL; לשאיבת דגימה עד לקו הסימון לתוך שפופרת הנזלה |
| דיסקית CD chip | Beijing Hongyang Chensheng Technology Co., Ltd | Custom-made | מתכלה חד-פעמית; דיסקית בקוטר 86 mm עם אזור טעינה מרכזי (נמלי O, B, S), אזור טיהור בחרוזי מגנט, וטבעת חיצונית עם 16 בארי תגובה (15 מטרות פתוגנים + בקרת פנימית NBPF) |
| ריאגנטים לתגובת LAMP | Yeasen Biotechnology (Shanghai) Co., Ltd | 16730ES80 | ריאגנטים לתגובת LAMP המאוחסנים מראש בדיסקית ה-CD chip כחרוזים ליופילים |
| שפופרת הנזלה | Beijing Taihao Biotechnology Co., Ltd | Custom-made | מתכלה חד-פעמית; 2 mL/tube; לקליטת דגימה לצורך הומוגניזציה ידנית |
| שפופרת ליזיס | Beijing Taihao Biotechnology Co., Ltd | Custom-made | מתכלה חד-פעמית; 0.5 mL/tube; גוף סיליקון דחיס עם ממברנת סינון של 200 µm; מכילה ריאגנטים לליזיס המטוענים מראש |
| פריימרים | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd | Custom-made | תערובת פריימרים המוטמעת בתא התגובה של ה-CD chip |
| מכשיר להכנה מקדימה של דגימות | Beijing Taihao Biotechnology Co., Ltd | THE-R10-02 | TS-2000; מחזור הנזלה–ליזיס אוטומטי (כ-15 min) |
| בקבוקון למינון בודד “B” | Ruifu Biotechnology (Guangzhou) Co., Ltd | Custom-made | מתכלה חד-פעמית; ריאגנט ארוז מראש על השבב; אחד לכל בדיקה; מאוחסן ב-4 °C ומובא לטמפרטורת החדר (כ-25 °C) לפני הטעינה |
| בקבוקון למינון בודד “O” | Ruifu Biotechnology (Guangzhou) Co., Ltd | Custom-made | מתכלה חד-פעמית; ריאגנט ארוז מראש על השבב; אחד לכל בדיקה; מאוחסן ב-4 °C ומובא לטמפרטורת החדר (כ-25 °C) לפני הטעינה |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.