จาก COVID สู่มะเร็ง: การทดสอบที่บ้านแบบใหม่สามารถตรวจจับโรคได้อย่างแม่นยำอย่างน่าทึ่ง

เจ็บคอและคัดจมูกใช่ไหม? การมาถึงของชุดตรวจที่บ้านแบบรวดเร็วทำให้ง่ายต่อการระบุว่าคุณเป็นโรคร้ายแรงอย่างโควิด-19 หรือแค่แพ้อากาศในฤดูใบไม้ผลิ แม้จะรวดเร็วและสะดวกสบาย แต่ชุดตรวจเหล่านี้ก็มีความไวน้อยกว่าชุดตรวจที่ใช้ในคลินิก ซึ่งหมายความว่าผลตรวจอาจเป็นลบได้ แม้ว่าบุคคลนั้นจะติดเชื้อก็ตาม

ทางออกอาจเป็นเทคโนโลยีชีวเซ็นเซอร์แบบใหม่ราคาประหยัดที่สามารถทำให้การทดสอบที่บ้านอย่างรวดเร็วมีความไวต่อไวรัสอย่างโควิด-19 มากขึ้นถึง 100 เท่า นอกจากนี้ยังสามารถขยายขีดความสามารถในการคัดกรองโรคอันตรายอื่นๆ ได้อย่างรวดเร็ว เช่น มะเร็งต่อมลูกหมากและภาวะติดเชื้อในกระแสเลือด

นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ได้พัฒนาวิธีการทดสอบที่ผสมผสานกระบวนการระเหยตามธรรมชาติที่เรียกว่า "ปรากฏการณ์วงแหวนกาแฟ" เข้ากับพลาสมอนิกส์และปัญญาประดิษฐ์ เพื่อตรวจจับไบโอมาร์กเกอร์ของโรคได้อย่างแม่นยำในเวลาเพียงไม่กี่นาที

“เทคนิคที่เรียบง่ายแต่ทรงพลังนี้ให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำสูงในเวลาเพียงเสี้ยวเดียวของเวลาที่ใช้ในการวินิจฉัยแบบเดิม” คัมยาร์ เบห์รูซี นักศึกษาปริญญาเอกสาขาระบบไมโครอิเล็กโตรแมคคานิกส์และวิศวกรรมนาโนที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ กล่าว
“งานของเราปูทางไปสู่โซลูชันการวินิจฉัยที่เข้าถึงได้ง่ายขึ้นและราคาไม่แพง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับภูมิภาคที่มีทรัพยากรจำกัด”

คำอธิบายของเทคโนโลยีนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications

เอฟเฟกต์วงแหวนกาแฟและอนุภาคนาโน

หากสังเกตคราบกาแฟหรือไวน์อย่างใกล้ชิด คุณจะสังเกตเห็นว่าบริเวณขอบคราบมีสีเข้มกว่าบริเวณตรงกลาง เกิดจากปรากฏการณ์ทางกายภาพที่เรียกว่าปรากฏการณ์วงแหวนกาแฟ (coffee ring effect) เมื่อหยดของเหลวระเหยไป จะสร้างกระแสไฟฟ้าที่ผลักอนุภาคที่แขวนลอยอยู่ไปยังขอบคราบ หากอนุภาคมีสี เช่น ในกาแฟหรือไวน์ จะเกิดวงแหวนสีเข้มขึ้นรอบขอบคราบ

ในปี 2020 เบห์รูซกำลังพัฒนาไบโอเซ็นเซอร์เพื่อตรวจจับโควิด-19 และสังเกตเห็นว่าหยดสารละลายทดลองของเขาทิ้งรอยคล้ายวงแหวนไว้เมื่อแห้ง เขาจึงตระหนักว่าปรากฏการณ์วงแหวนกาแฟสามารถใช้เพื่อทำให้อนุภาคไวรัสโควิด-19 เข้มข้นขึ้น ทำให้ตรวจจับได้ง่ายขึ้น

“เราตระหนักว่าเราสามารถใช้เอฟเฟกต์นี้เพื่อสร้างสรรค์สิ่งที่ดีกว่าที่เราวางแผนไว้ในตอนแรกได้” เบห์รูซกล่าว

การทดสอบทำงานอย่างไร?

เทคโนโลยีการทดสอบอย่างรวดเร็วใช้อนุภาคขนาดเล็กที่เรียกว่าอนุภาคนาโนพลาสมอนิกที่โต้ตอบกับแสงในลักษณะพิเศษ

1. ผู้ใช้จะหยดของเหลวที่มีโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับโรค (เช่น จากสำลีที่ติดจากปากหรือจมูก) ลงบนเยื่อหุ้มเซลล์
2. เมื่อแห้ง หยดจะทำให้ไบโอมาร์กเกอร์ของโรคเข้มข้นขึ้นในบริเวณวงแหวนกาแฟ
3. จากนั้นผู้ใช้จะเติมหยดที่สองที่มีอนุภาคนาโนพลาสมอนิกที่ “เกาะติด” กับไบโอมาร์กเกอร์ของโรค

หากมีไบโอมาร์กเกอร์ อนุภาคนาโนจะสร้างรูปแบบเฉพาะที่เปลี่ยนแปลงวิธีที่แสงทำปฏิกิริยากับเยื่อหุ้มเซลล์ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าหรือด้วยแอปพลิเคชันบนสมาร์ทโฟนที่ขับเคลื่อนด้วย AI

เทคโนโลยีนี้ให้ผลลัพธ์ในเวลาไม่ถึง 12 นาที และมีความไวต่อ COVID-19 มากกว่าการทดสอบที่บ้านที่คล้ายกันถึง 100 เท่า

การยื่นคำร้องขอรับการรักษาโรคอื่นๆ

“หนึ่งในโปรตีนสำคัญที่เราสามารถตรวจพบได้ด้วยเทคนิคนี้คือไบโอมาร์กเกอร์สำหรับภาวะติดเชื้อในกระแสเลือด ซึ่งเป็นปฏิกิริยาอักเสบที่อันตรายต่อการติดเชื้อแบคทีเรียที่สามารถพัฒนาได้อย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในผู้ที่มีอายุมากกว่า 50 ปี” หลี่เว่ย หลิน ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ผู้เขียนงานวิจัยอาวุโส กล่าว
“ทุกชั่วโมงมีค่า แต่การเพาะเลี้ยงแบคทีเรียเพื่อระบุแหล่งที่มาของการติดเชื้ออาจใช้เวลาหลายวัน เทคนิคของเราอาจทำให้แพทย์ตรวจพบภาวะติดเชื้อในกระแสเลือดได้ภายใน 10 ถึง 15 นาที”

นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างต้นแบบของชุดทดสอบที่บ้านที่คล้ายกับชุดทดสอบ COVID-19 แบบรวดเร็ว โดยใช้ส่วนประกอบที่พิมพ์ 3 มิติเพื่อช่วยวางตำแหน่งตัวอย่างและหยดพลาสมอนิกได้อย่างถูกต้อง

“ในช่วงการระบาดของโควิด-19 เราอาศัยการตรวจที่บ้านเพื่อดูว่าเราติดเชื้อหรือไม่ ฉันหวังว่าเทคโนโลยีของเราจะทำให้การตรวจคัดกรองโรคต่างๆ เช่น มะเร็งต่อมลูกหมาก เข้าถึงได้ง่ายขึ้น โดยไม่ต้องออกจากบ้าน” หลินกล่าว