كيف يمكن أن يصبح الهاتف الذكي المقترن بالتعلم الآلي اختبارًا بسيطًا وفعالًا لفيروس كوفيد-19

"الاختبار في الولايات المتحدة عبارة عن فوضى" كتب محرري طبيعة مجلة مؤخرا، معالجة سلسلة من الأخطاء التي أدت إلى نقص خطير في قدرة البلاد على الكشف كوفيد-19.

"مع التنسيق الفوضوي على المستوى الوطني، أصبح مقدمو الخدمات الحاليون غارقين في الاختبار وقد طال أمد الأعمال المتراكمة وتزايد النقص في المسحات والإمدادات والكواشف". المحررين.

تفتح كارثة الاختبارات الأمريكية لكوفيد-19 الطريق أمام أساليب جديدة لتشخيص المرض. وقد يحصل بعضها على موافقة الاستخدام الطارئ من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية إذا ظهرت يعد.

أدخل الهاتف الذكي. تتمتع الكاميرا الموجودة في الهاتف الذكي العادي بالقوة الكافية لالتقاط معلومات جوهرية من مظهر السائل في الاختبار الجيني. إلى جانب برامج الكمبيوتر للتعلم العميق، يمكن نظريًا تحليل هذه التفاصيل بواسطة تطبيق على الهاتف لإنتاج إجابة على الفور حول ما إذا كان الفرد مصابًا بمرض أم لا.

يمكن لنهج الهاتف الذكي أن يفتح الطريق أمام مجموعة أدوات تشخيصية بسيطة للغاية لكوفيد-19 يمكن استخدامها في الموقع، سواء في عيادة، أو منشأة اختبار من خلال القيادة أو منبثقة، أو مكان بعيد عن الطريق مثل موقع ريفي بعيد عن معمل.

لقد كان علم مثل هذا النهج قيد التطوير منذ عدة سنوات، وقد وصل إلى مستوى جديد من البساطة الأنيقة في زمن كوفيد-19.

آشيش بريي، أن أستاذ مساعد في قسم الهندسة الكيميائية والبيئية في جامعة سينسيناتي، تعمل بشكل مطرد على تحسين اختبار محمول للغاية في صندوق، إذا صح التعبير، للأمراض المعدية.

باستخدام لوحة تسخين ومصدر ضوء LED وهاتف ذكي، يمكن استخدام تصميم Priye لمجموعة أدوات محمولة تعمل بالبطارية لاختبار وجود الفيروس في أقل من ساعة. في الإصدار الأخير، يمكن استخدام شبكة عصبية للتعلم العميق تعرف باسم الشبكة العصبية التلافيفية، أو ConvNet لمعرفة كمية المادة الفيروسية الموجودة في عينة الدم أو اللعاب، بناءً على وحدات البكسل التي يلتقطها الهاتف الذكي آلة تصوير.

"نحن نستكشف تقنيات تحليل الصور غير التقليدية لتحسين قدرات الكشف للهواتف الذكية الاستهلاكية من أجل الأداء وأوضح بريي في تبادل عبر البريد الإلكتروني: "الكشف عن الفيروسات باستخدام شيء قوي للغاية ولكن في نفس الوقت متاح على نطاق واسع لمعظم الناس". مع زد نت.

لقد أصبح عمل بريي ممكنًا بفضل التبسيط الجذري للاختبارات الجينية في العقدين الماضيين، وهو نهج شائع بشكل متزايد يُعرف باسم LAMP.

تعتمد جميع الاختبارات التشخيصية المعتمدة على الحمض النووي، بما في ذلك LAMP، على تفاعل كيميائي خاضع للرقابة، والنتيجة هي ما يعرف بالتضخيم. ضع بعض الحمض النووي، التعليمات الجينية للحياة، أو، في حالة الفيروس، الحمض النووي الريبوزي، النسخة العاملة المفردة، في أنبوب بوليمر، مع بعض الخيوط القصيرة من الحمض النووي، المعروفة باسم البادئات، والإنزيم المعروف باسم بوليميريز. تسخين وتبريد الخليط بشكل متكرر؛ والنتيجة هي أن الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي (RNA) سوف يتضاعف عدة مرات.

أيضًا: "نحن نفعل في غضون بضعة أشهر ما قد يستغرق عادةً سنوات من عملية تطوير الأدوية": مختبرات Argonne Labs التابعة لوزارة الطاقة تحارب فيروس كورونا باستخدام الذكاء الاصطناعي

ال تم وصف العملية لأول مرة في عام 1985 من قبل العلماء في شركة Cetus، وهي شركة ناشئة في مجال التكنولوجيا الحيوية في سان فرانسيسكو، والذي أطلق عليها اسم "تفاعل البوليميراز المتسلسل"، أو PCR. كاري موليس، المخترع الرئيسي في سيتوس، فاز بجائزة نوبل لهذا الإجراء. لقد أحدث تفاعل البوليميراز المتسلسل ثورة في علم الأحياء من خلال تسهيل إنشاء كميات هائلة من الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي (RNA) للدراسة.

كانت رؤية موليس في البداية هي أن تفاعل البوليميراز المتسلسل لا يتضخم فحسب، بل يقوم أيضًا باختيار أنواع محددة التسلسلات الجينية للحمض النووي عن طريق استخلاصها من بقية الجينات المحيطة بها مادة. وهذا يعني أن الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي (RNA) الذي لم يتم التعرف عليه بالكامل بعد يمكن تحديده في المحلول، الحقيقة التي أشار إليها موليس كانت "لا تقل أهمية عن التضخيم نفسه". التضخيم ليس مجرد مضاعفة DNA و RNA، وبعبارة أخرى، فهو أداة لتحديد الهوية وبالتالي أداة للتشخيص.

أصبح تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) منتشرًا في كل مكان في المختبرات، ويُعد إصداره، وهو تفاعل البوليميراز المتسلسل العكسي الكمي، أو RT-qPCR، هو المعيار الذهبي لاختبارات كوفيد-19. ولكن هناك العديد من الجوانب المرهقة لتفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) التي تثقل كاهل استخدامه، خاصة أثناء الجائحة عندما تكون سرعة الاختبار أمرًا جوهريًا.

عادةً ما تستغرق عملية تفاعل البوليميراز المتسلسل الكاملة عدة ساعات، بالإضافة إلى الوقت اللازم لشحن العينات إلى المختبر حيث توجد معدات تفاعل البوليميراز المتسلسل. القطعة الرئيسية من المعدات، وهي دورة حرارية، تقوم بتوجيه الخليط الكيميائي بعناية خلال المراحل المتكررة التدفئة والتبريد، تكلف آلاف الدولارات وتتطلب كواشف مكلفة مثل بوليميريز طق الموجود في قلب المشروع. عملية. وهذا يجعله بعيدًا عن متناول أي شخص باستثناء المختبرات الممولة تمويلًا جيدًا.

"في الوقت الحالي، الطريقة لإجراء الاختبار في معظم الحالات هي أن يأتي شخص ما، أو يتعين عليك إرسال عينتك إلى مكان يوجد به وأوضح بريي لـ زد نت. "أنت تريد تقليل ذلك إلى أقل من ساعة، وربما 30 دقيقة."

وقد بذلت محاولات لتبسيط PCR. على سبيل المثال، يعمل عدد من الشركات على إصدارات محمولة من PCR، وهو اتجاه يشار إليه باسم DIY Bio. لكن أحدث ما توصلت إليه أساليب التضخيم الرخيصة هو الطريقة البديلة المعروفة باسم LAMP، والتي تعني التضخيم متساوي الحرارة بوساطة حلقة.

تم تقديمه للعالم في عام 2000 بواسطة علماء من شركة Eiken Chemical اليابانية، يمكن تنفيذ LAMP في أقل من ساعة. وبنفس القدر من الأهمية، تحتاج العينة فقط إلى تسخينها إلى درجة حرارة واحدة بدلاً من الصعود والهبوط المتعدد للتسخين والتبريد في تفاعل البوليميراز المتسلسل. إن بساطة إعداد درجة الحرارة المفردة، أو متساوية الحرارة، تجعل معدات LAMP أرخص من حيث الحجم من أجهزة التدوير الحراري PCR.

بعد التضخيم، يجب اكتشاف الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي (RNA)، إذا تم العثور عليه، وهذا هو المكان الذي خطت فيه بري خطوات كبيرة.

وأوضح: "إن التفرد في مختبرنا هو الجمع بين جانب قابلية النقل لـ LAMP مع تحليل الصور على تطبيق الهاتف الذكي لاكتشاف منتجات LAMP باستخدام الكاميرا المدمجة".

الطريقة القياسية لقراءة نتائج LAMP هي ضرب العينة بالضوء الذي يجعل الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي (RNA) المكتشف يتألق ثم مراقبة الألوان في هذا التألق. يمكن استخدام الصمام الثنائي الباعث للضوء، أو LED، كمصدر للضوء وعادةً ما يقوم جهاز يسمى مقياس التألق بقياس استجابة اللون.

في ورقة 2017اقترح بريي والعلماء في مختبرات سانديا الوطنية مجموعة اختبار "صندوق المصباح" مع وسادة تسخين، ومصباح LED، وهاتف ذكي بدلاً من مقياس الفلور. وكان قادرا على إزالة قطعة من المعدات، وبالتالي تبسيط التصميم العام.

في عمله الحالي، يقوم بري بتبسيط الأمور بشكل أكبر باستخدام ما يسميه طريقة الكشف "الخالية من الملصقات" والتي لا تحتاج إلى دمج جزيئات الفلورسنت.

وقال: "على الرغم من فعالية البادئات الموسومة بالفلورسنت، إلا أنها مكلفة في تنفيذها في فحوصات LAMP، خاصة عند تحسين مجموعات البادئات المختلفة".

اتضح أن هناك طريقة أبسط بكثير لرؤية رد الفعل الإيجابي في LAMP. في عام 2001، بعد وقت قصير من تقديم هذه التقنية، قام علماء إيكن وصف حقيقة مثيرة للاهتمام. النتيجة الإيجابية في الاختبار تنتج بشكل طبيعي منتجًا ثانويًا، وهو مادة بيضاء حليبية معتمة داخل المحلول السائل. هذا التعكر، كما يطلق عليه، هو بيروفوسفات المغنيسيوم، الذي يتشكل نتيجة تفاعل الأيونات في عملية LAMP. ويمكن رؤية المادة بالعين المجردة بمجرد النظر إلى العينة الموجودة في الأنبوب بعد خطوة التضخيم.

على الرغم من أنه يمكنك رؤية التعكر مباشرة، إلا أنه من المهم في الاختبارات التشخيصية أن تكون قادرًا على القياس فقط ما مقدار التعكر الموجود، لأنه يمكن أن يخبرك بكمية الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي (RNA) المستهدف الموجود في عينة.

مشكلة القياس هذه هي المكان الذي يأتي فيه التعلم الآلي. بالتعاون مع أحد الزملاء، سوريا براساثويعمل بري على قياس التعكر من خلال تحليل صور عالية الدقة باستخدام شبكة عصبية.

أيضًا: يحث العلماء بقيادة عالم الذكاء الاصطناعي يوشوا بنجيو على الخصوصية واختيار نهج تتبع جهات الاتصال الخاصة بـCOVID-19

وأوضح بريي: "نحن نخطط لتدريب واختبار شبكة عصبية تلافيفية عميقة لتصنيف الصور المكبرة 10 مرات وفقًا لمستوى هطول الأمطار المتكون في عينات LAMP". لقد كانت ConvNets، كما تُعرف، بمثابة العمود الفقري للتعلم العميق الحديث لمجموعة من التطبيقات، ولكن بشكل خاص لتصنيف الصور وتصنيفها.

وقال إن بريي وبراساث يختبران أيضًا أشكالًا أبسط من التعلم الآلي بالتوازي زد نت، بما في ذلك أجهزة المتجهات الداعمة والغابات العشوائية، لتحديد النموذج الأمثل للاستخدام. تتضمن التجارب كلاً من الصور المولدة معمليًا، بالإضافة إلى الصور الاصطناعية التي تم إنشاؤها بواسطة أحد المولدات الشبكة العدائية، هي نوع من الشبكات العصبية للتعلم العميق التي يمكنها تجميع الصور بناءً على عينات من إبداعي.

وقال بري إنه بمجرد تطوير الشبكة العصبية المثالية، سيتم دمجها في تطبيق كشف يعمل على الهاتف الذكي.

يعد عنصر التسخين جزءًا آخر من المجموعة التي تعمل Priye على تبسيطها. في التصميم الموضح في عام 2017، يتم تشغيل لوحة التسخين عبر بطارية بقوة 5 فولت. لقد كان يقوم بتجربة صمام ثنائي باعث للضوء بقوة 1 واط و1 أمبير من تيار القيادة الذي يمكنه تسخين كميات صغيرة من السوائل الموجودة على طبقة رقيقة من المعدن. وتسمى هذه العملية بالتسخين الضوئي، حيث يتم تحويل الضوء إلى حرارة.

بدأت الخطوط العريضة لمجموعة أدوات بسيطة للغاية في الظهور: لا يوجد نظام مضان، ولا وسادة تدفئة، بل مجرد لوحة معدنية رفيعة، وبعض الأنابيب البلاستيكية، ومصدر للضوء وهاتف ذكي.

ويأمل بري أن يكون لديه نموذج أولي لهذه المجموعة بحلول نهاية العام. وفي الوقت نفسه، فهو يتابع معدات التشخيص، ويتحرك على جبهة ثانية لتبسيط LAMP نفسه. هناك مجال واحد يكون فيه LAMP أكثر تعقيدًا من تفاعل البوليميراز المتسلسل، وهو تطوير البادئات، وهي سلاسل الأحماض النووية المستخدمة لتضخيم الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي المستهدف. يحتاج تفاعل البوليميراز المتسلسل إلى اثنين فقط من البادئات للكشف عن كل عدوى فيروسية، بينما يتطلب LAMP من 6 إلى 8 بادئات.

المزيد من الاشعال يعقد ما يمكن أن يحدث أثناء التضخيم.

وأوضح بري: "مع وجود عدد أكبر من البادئات، هناك فرصة أكبر لتفاعل هذه البادئات مع بعضها البعض ومع الجزء الخاطئ من الحمض النووي الريبوزي للفيروس"، الأمر الذي يمكن أن يؤدي إلى نتائج مشوهة. "وهذا هو أحد الأسباب الرئيسية وراء ظهور ردود الفعل هذه إيجابيات كاذبة."

عادةً ما يتم تصميم البادئات الخاصة بـ LAMP، والتي يجب تنفيذها مع كل مرض جديد أشهر، حيث كان طلاب الدراسات العليا في المختبر يتعاملون مع العمل الشاق المتمثل في التجربة والخطأ بحثًا عن الحق وصفة.

وللمساعدة في تبسيط هذا العمل، يقوم بري ببناء برنامج يعتمد على النماذج الديناميكية الحرارية، وهو ما يسميه "تفاعل LAMP" محاكاة"، والتي يمكنها التقاط "منتجات التفاعل المتوسطة" في LAMP - يمكنها نمذجة ما يمكن أن يحدث أثناء ذلك التضخيم.

"من خلال التنبؤ باحتمالية تفاعل هذه البادئات مع بعضها البعض، حتى قبل الذهاب إلى المختبر، وأوضح أنه يمكننا تقليل الوقت اللازم لتصميم واختبار بادئات متعددة لفيروس معين بشكل كبير بريي.

إنه يشبه إلى حد ما النماذج الأولية السريعة أو النمذجة الرقمية للتصنيع، حيث يمكن تكرار المحاولات قبل الالتزام بالتصميم النهائي.

وقال بريي إن الإطار الزمني لاستكمال هذا البرنامج قد يكون في وقت ما من العام المقبل.

تعد مجموعة أدوات الاختبار وبرنامج المحاكاة المبسطة من Priye جزءًا من تطور LAMP إلى منصة. تظهر الجهود في كل مكان للبناء على طريقة التضخيم البسيطة.

على سبيل المثال، بدء التشغيل العلوم البيولوجية الماموثقامت جينيفر دودنا، التي شاركت في تأسيسها عالمة جامعة كاليفورنيا في بيركلي، والتي كانت رائدة في استخدام تحرير الجينات CRISPR/Cas، بتطوير نسخة من LAMP تستخدم إنزيم Cas12 للكشف عن نتائج LAMP. يقوم الإنزيم تلقائيًا بقطع المادة الوراثية عندما يظهر الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي (RNA) المستهدف في خطوة التضخيم. يمكن إجراء الاختبار خلال نصف ساعة، وتستفيد خطوة الكشف من شرائط بسيطة تسمى المقايسات المناعية للتدفق الجانبي، على غرار اختبار الحمل.

تشير مثل هذه الخلطات البارعة من الأساليب خفيفة الوزن إلى أن كوفيد-19 يؤدي إلى موجة من الابتكارات التي ستغير طبيعة الاختبار والتشخيص لسنوات قادمة. ربما لن يتمكنوا على الفور من حل عنق الزجاجة في الاختبار في حالة كوفيد-19، ولكن هناك حل احتمال أن يكون للكارثة الحالية، على الرغم من سوءها، جانب مضيء صغير في المستقبل أجيال.