Wirusy infekują rośliny, zwierzęta i ludzi. Rozprzestrzenienie się wirusa ze zwierząt na ludzi może wywołać pandemie takie jak Covid-19 – poważne kryzysy w zakresie zdrowia publicznego ze znacznymi skutkami gospodarczymi i społecznymi. Aby zdusić takie infekcje w zarodku, badacze zajmujący się zdrowiem publicznym opowiadają się za podejściem „Jedno zdrowie”: monitorowanie i ochrona zdrowia roślin, zwierząt, środowiska i ludzi w zintegrowany sposób.

Szybkie, łatwe i opłacalne metody wykrywania infekcji wirusowych mogą znacznie pomóc w zapewnieniu tego wyniku. Niedawno naukowcy z Uniwersytetu Harvarda w Cambridge i Uniwersytetu Jiangsu w Zhenjiang ogłosili opracowanie jednego z takich narzędzi: może ono wykryć, czy komórki zostały zainfekowane wirusem, wykorzystując jedynie światło i pewną wiedzę z zakresu fizyki ze szkoły średniej.

Ich artykuł ukazał się w czasopiśmie Postęp nauki w marcu tego roku.

Odcisk palca infekcji

Infekcja wirusowa może stresować komórki i zmieniać ich kształty, rozmiary i cechy. W miarę jak infekcja zyskuje przewagę i organizm staje się „chorobowy”, zmiany stają się coraz bardziej wyraźne.

Naukowcy odpowiedzialni za nowe badanie przełożyli te zmiany komórkowe na wzorce, które można wykorzystać do stwierdzenia, czy komórka została zakażona. Zainfekowali komórki jąder świni wirusem wścieklizny rzekomej, oświetlili je światłem pod mikroskopem i śledzili, w jaki sposób zmiany w komórkach zniekształcają światło.

Naukowcy rejestrowali te zniekształcenia w różnych momentach, dzięki czemu dane świetlne imitowały postępującą infekcję wirusową. Następnie porównali te zniekształcenia z zakłóceniami światła przechodzącego przez zdrowe komórki. W końcu poinformowali, że różnica między dwoma wzorami światła reprezentuje „odcisk palca” komórek zakażonych wirusem.

Zmiany kontrastu

Zniekształcenie, o którym mowa, dotyczyło wzorów dyfrakcyjnych. Dyfrakcja to tendencja fal świetlnych do rozprzestrzeniania się po przejściu przez wąskie otwory lub wokół małych obiektów. Gdy to ugięte światło dotrze, powiedzmy, do ściany, tworzy wzór naprzemiennych jasnych i ciemnych pierścieni lub pasków wokół ciemnego środka.

Odcisk palca opierał się na dwóch parametrach: kontraście między jasnymi i ciemnymi paskami oraz odwrotnym momencie różnicowym, czyli wartości matematycznej określającej teksturę wzoru dyfrakcyjnego.

Schematyczny diagram konfiguracji testowej. | Źródło zdjęcia: DOI: 10.1126/sciadv.adl3466

Dzięki tej metodzie można rozróżnić komórki niezainfekowane, zakażone wirusem i komórki martwe. Komórki zakażone wirusem były wydłużone i miały wyraźniejsze granice niż komórki niezainfekowane. Zmieniło to kontrast pomiędzy jasnymi i ciemnymi paskami odcisku palca dyfrakcyjnego i zwiększyło różnice w natężeniu światła.

Mniej czasu, pieniędzy i złożoności

Obecne metody wykrywania infekcji wirusowych w komórkach nie są proste. Na przykład w ramach jednej techniki badacze izolują zakażone komórki w laboratorium i dodają do nich odczynniki chemiczne, takie jak bromek dimetylotiazolilodifenylotetrazoliowy. Odczynnik niszczy komórki, ale nie wcześniej niż enzymy w komórkach – zwane oksydoreduktazami i dehydrogenazami – zareagują z odczynnikiem, tworząc fioletowe kryształy jednostki chemicznej zwanej formazanem. Ta zmiana koloru mówi badaczom, że komórki mogły mieć infekcję wirusową. Komórkom umierającym z powodu infekcji wirusowej brakuje tych enzymów, w związku z czym wytwarzają niewielkie lub żadne ilości kryształów formazanu.

Naukowcy porównali swoją nową technikę z tym standardem pod względem dokładności, czasu i kosztów. Poinformowali, że ich metoda oparta na świetle może wykrywać infekcje wirusowe równie dokładnie lub nawet dokładniej niż metoda standardowa.

Nowa metoda była również tańsza od standardowej: podczas gdy koszt sprzętu w przypadku standardowej metody wykorzystującej odczynniki chemiczne wynosi około 3000 dolarów (2,5 lakh rupii), koszt nowej metody opisanej w tym artykule wynosił około jednej dziesiątej. Wiele ośrodków badawczych na całym świecie pozyskuje także odczynniki z innych miejsc, co zwiększa potencjalne opóźnienia czasowe i podatność prowadzonych badań na nieefektywność łańcucha dostaw.

Wreszcie, według doniesień nowa metoda wykrycia komórek zakażonych wirusem zajmuje tylko około dwóch godzin, w porównaniu z wymaganymi obecnie 40 godzinami.

Korzyści dla zwierząt gospodarskich

Jak wynika z artykułu, badacze umieścili próbki komórek na szkiełkach pod mikroskopem i naświetlili je światłem. Uzyskali, a następnie przeanalizowali odcisk palca dyfrakcyjny i skorelowali każdy odcisk palca z odpowiednim stanem komórek. Zespół nie przeprowadził jeszcze testów w świecie rzeczywistym.

Niski koszt i łatwość obsługi prawdopodobnie będą opłacalne dla osób pracujących blisko zwierząt, zwłaszcza „zwierząt gospodarskich lub pospolitych zwierząt domowych, takich jak psy i koty” – napisali naukowcy w swoim artykule. Nowe narzędzie może pomóc w wykryciu infekcji wirusowych w ich organizmach, a także w „wyborze i hodowli doskonałych gatunków zwierząt gospodarskich i drobiu na poziomie komórkowym”.

Nowe narzędzie w arsenale

Rzeczywiście nowa metoda może pomóc we wczesnym wykryciu infekcji wirusowych, co może być bardzo pomocne na przykład podczas epidemii zjadliwej ptasiej grypy. Według Światowej Organizacji Zdrowia w latach 2022 i 2023 w wyniku tej, która ma miejsce na całym świecie, zginęło ponad 131 milionów drobiu w 81 krajach.

Naukowcy zazwyczaj badają próbki z dowolnej części ptaka, którą wirus może zainfekować: tchawicy, kloaki (komory na mocz i kał) lub samych ich odpadów. Jeśli ptak zdechnie po wystąpieniu objawów związanych z infekcją, patogenu szuka także w tkankach tuszy.

Stosowane przez nich metody obejmują reakcję łańcuchową polimerazy (słynną „PCR” podczas pandemii Covid-19) czy testy antygenowe, które wykrywają geny lub białka powiązane z wirusem H5N1. Chociaż nowa metoda nie jest specyficzna dla niektórych rodzajów wirusów, może ogólnie pomóc w wykryciu infekcji wirusowych i pomóc zainteresowanym stronom w podjęciu na czas działań zapobiegawczych, aby uniknąć znacznych strat.

W rzeczywistości ogólny charakter narzędzia może być również zaletą w przypadku wyłapania infekcji wirusowej, która nie jest spowodowana H5N1, a być może nawet nowym wirusem.

Przeciwko rozprzestrzenianiu się wirusów

Epidemie wirusów u zwierząt mają istotne konsekwencje gospodarcze. Według Badanie 2018 w dzienniku Choroby transgraniczne i nowo pojawiające się, ogniska ptasiej grypy w regionie Kuttanad w Kerali spowodowały straty w wysokości 23 lakh rupii w 2014 r. (stawka z 2018 r.). W badaniu oszacowano również, że rząd Kerali wydał 5,4 crore rupii „na powstrzymanie rozprzestrzeniania się choroby poprzez masowy ubój, nadzór i monitorowanie drobiu i ludzi z powodu [the] zoonotyczny charakter choroby”.

W tym kontekście szybki i opłacalny sposób wykrywania infekcji wirusowych mógłby pomóc w ulepszeniu nadzoru i obniżeniu kosztów selekcji zdrowych zwierząt lub ptaków do hodowli. Istniejące metody selekcji zwierząt do hodowli wymagają kosztownych narzędzi do sekwencjonowania DNA, nawet jeśli narzędzia te bardzo dobrze identyfikują pewne pożądane cechy u zwierzęcia.

Narzędzie wykorzystujące światło mogłoby również pomóc krajom o niskich i średnich dochodach dysponujących ograniczonymi zasobami w realizacji zalecenia WHO dotyczącego „szybkiego wykrywania, zgłaszania i reagowania na ogniska zwierząt w ramach pierwszej linii obrony” przed rozprzestrzenianiem się wirusów.

Joel P. Joseph jest niezależnym dziennikarzem naukowym i badaczem.