מעבדה כימית בגודל של כרטיס אשראי

באמצעות השימוש במערכת מיקרו-זרימה בגודל של כרטיס אשראי, שפותחה במכון לכימיה פיסיקאלית של האקדמיה למדעים הפולנית, ניתן לבצע עשרות אלפי ניסויים כימיים וביוכימיים מדי יום. ההתקן החדשני כבר נבדק והוכיח את יתרונותיו במחקר על יעילותן של תערובות חומרי אנטיביוטיקה

קבוצת חוקרים מהמכון לכימיה פיסיקאלית של האקדמיה למדעים הפולנית, בראשות Piotr Garstecki, בנתה מערכת מיקרו-זרימה המאפשרת למזג זרמי טיפות המכילות מספר תמיסות. המערכת החדשה מאפשרת להכין ולשלוט בדיוק בריכוזים של מיקרו-תערובות לתגובה כימית, ופועלת מהר יותר פי כמה וכמה ובנפחים קטנים יותר של נוזל, מאשר צלוחית המיקרו-טִיטָר הנפוצה כיום במעבדות מחקר. “ההתקן שפותח על-ידנו מאפשר לבצע עשרות אלפי ניסויים ביוכימיים מדי יום,” אמר החוקר. התקן מיקרו-המעבדה עשוי להשפיע באופן משמעותי על הדרך שבה מתבצעים ניסויים בתחומים של סינתזה כימית, אבחון רפואי וביוטכנולוגיה.

מערכת המיקרו-זרימה שפותחה מהווה כלי תגובה זערורי בגודל של כרטיס אשראי. תגובות כימיות מתבצעות בתוככי טיפות זעירות הנעות לאורך תעלות קטנות שעוצבו באופן מיוחד. נפח הטיפות נשלט ע”י מחשב ולרוב הן בנפח של מיקרוליטר אחד. המערכת פועלת בקצב המאפשר לערבב שלוש טיפות בכל שנייה. יתרה מכך, במקום להשתמש במיקרו-שסתומים, שבנייתם מסובכת, מדענים משתמשים בשסתומים גדולים וזולים הממוקמים מחוץ להתקן. “מזעור כל הרכיבים הוא פשוט עניין בלתי כלכלי. הוצאת השסתומים אל מחוץ למיקרו-המערכת מאפשרת לפתח שבב פשוט, זול וחד-פעמי. העובדה החשובה ביותר הינה בכך שהתגובות הכימיות עצמן מתבצעות בקנה-מידה מיקרוני בתנאים מבוקרים באופן מדויק,” מציין אחד מהחוקרים.

האמצאה של החוקרים מפולין אוצרת בתוכה כבר עכשיו פוטנציאל להשפיע על התפתחותם של מספר תחומים בכימיה וברפואה, במיוחד בניפוי חומרים. כיום, ניפוי מתבצע ע”י שימוש בצלוחיות מיקרו-טיטר – צלוחיות בעלות מאות באריות המתמלאות ע”י התקן רובוטי. בסוג זה של מחקר העלות של כל תגובה ותגובה מגיעה לשלושה דולרים, בעוד שעלות המגיבים היא כעשרים סנטים בלבד; יתר העלות מתפרש על התחזוקה של המערכת והתשתית שלה. מאחר ובמיזם טיפוסי למציאת תרופה חדשה מספר התרכובות הנבחנות עשוי להשתרע בטווח שבין מספר מאות למספר מיליונים, העלויות עשויות להגיע למילוני דולרים. “לא רק שמערכת מיקרו-הזרימה שלנו מפחיתה את כל סוגי העלויות, אלא שהיא גם מקצרת באופן משמעותי את הזמן הנדרש לביצוע המחקר,” מדגיש החוקר הראשי.

מערכת המיקרו-זרימה החדשנית עשויה להיות חשובה במיוחד באיתור תרופות חדשות, במיוחד כאלו הכוללות מספר חומרים אנטיביוטיים. לתערובות של חומרי אנטיביוטיקה יש, לרוב, השפעה מוגברת (synergistic) או מופחתת (antagonistic), יחסית להשפעה שמתקבלת מכל אחד מהם בנפרד. אולם, השפעה מופחתת שכזו במאבק כנגד מיקרואורגניזמים אינה ניתנת לחיזוי בקלות. איתור השפעה זו מצריך ניסויים מייגעים וממושכים. ההתקן החדשני יוכל לאתר במהירות את התערובות היעילות שתוכלנה למנוע את הבעיה הבסיסית ברפואה העכשווית – ההתפתחות של זני חיידקים עמידים לתרופות.

בדיקות שנערכו במכון לכימיה פיסיקאלית אפשרו למדענים להדגים את הפעילות של מערכת המיקרו-זרימה בתנאים המדמים את ההרצה של ניפוי ממוכן. כל מיקרו-טיפה עורבבה עם שתי מיקרו-טיפות של חומרים אנטיביוטיים – כלורמפניקול וטטרציקלין – והנפח של כל אחד מחומרי האנטיביוטיקה שונה באופן הדרגתי ומבוקר כך שניתן היה לווסת את הריכוז היחסי של כל אחד מהם. הטיפות שעברו מיזוג במערכת המיקרו-זרימה נותרו למשך שלוש שעות במטרה להדגיר את החיידקים. בשלב הבא נבחנו עוצמות ההארה שנפלטו מסמנים מטבוליטים וע”י כך ניתן היה לקבוע בקלות את שיעור מושבות החיידקים הפעילים בכל אחת ואחת מהטיפות. התהליך כולו היה ממוכן באופן מלא והראה כי התערובת שבה החומרים האנטיביוטיים היו ביחס שווה הייתה הפחות יעילה מכולן.

הידיעה על המחקר

סרטון