خلاصه فناوری
از ابتدای برخورد با مشکل سپتیسمی و آشنایی بشر با این مسئله، میکروبها خصوصاً باکتریها و قارچها بهعنوان عامل آن در نظر گرفته شدند. از این رو برای تشخیص میکروارگانیسمها، روشهایی برای یافتن آلودگی میکروبی خون با این عوامل، پاتوژن طراحی و اجرا شده است. از جمله روشهای قدیمی میتوان به روش دستی کشت خون بر روی محیطهای سنتی مانند بلاد آگار (Blood Agar) و یا مدیوم مکانکی (MacConkey Agar) اشاره نمود. در این روشها، ابتدا خون توسط محیط کشت مایع که معمولاً مخلوطی از عوامل مغذی و رشد افزا بود، کشت داده میشد تا از طریق تکثیر، تعداد باکتری در واحد حجم بالا رفته و سپس بتوان از آگارهای مختلف استفاده نمود. پس از کشت میکروارگانیسم آلودهکننده روی آگار، هم میتوان ماهیت و شکل کلنی را مورد بررسی قرار داد، هم با نمونهبرداری رنگآمیزی گرم انجام داده و در نهایت نیز تست حساسیت آنتیبیوتیکی انجام داد. وقتگیر و پرزحمت بودن این تستها این مهم را نشان داد که اتوماسیون فرایندهای میکروبی اگر چه کاری بسیار سخت میباشد؛ اما برای جلوگیری از خطا، بهبود سرعت، دقت و صحت نتایج الزامی است. سیستمهای کنونی مانند Bact/Alert 3D با انجام یک مرحله از اتوماسیون اولیه در این فرایند کمک شایانی به کارشناسان میکروبیولوژی بالینی مینماید.
هدف نهایی این پروژه، طراحی و ساخت بطری کشت خون با قابلیت تشخیص حداکثر 72 ساعته با میانگین زمانی مثبتشدن برای نمونههای آلوده خونی به سویههای هوازی زیر 40 ساعت و درصد مثبتشدن 100 درصد برای نمونههای آلوده به 20 CFU و بالاتر میباشد. همچنین طراحی و ساخت نمونه اولیه دستگاه کشت خون اتوماتیک با استفاده از روش رفلکتومتری با قابلیت حفظ دمای 37 درجه سانتیگراد با دقت 1± درجه سانتیگراد و سرعت همزدن 60 دور بر دقیقه با دقت ±1 RPM از دیگر اهداف این طرح است.
ضرورت مسئله
حضور آلودگی میکروبی در نمونههای بالینی معمولاً با کشت نمونهها تشخیص داده میشود. انواع مختلفی از روشهای بیولوژیکی جهت کشف نوع باکتری استفاده میگردد. در روشهای قدیمی که هماکنون نیز بهفراوانی در ایران مورداستفاده قرار میگیرند، کشت خون با تلقیح خون فرد مشکوک به ابتلا به سپتیسمیا به ویالهای حاوی محیطهای کشت و سپس کشت دوباره از ویال کشتشده بر روی محیطهای کشت سنتی مانند آگارهای مختلف انجام میگردد. ظرف حاوی محیط کشت شامل انواع مواد مغذی مورد نیاز برای کشت باکتریها میباشد. مشکل این روش مدتزمان طولانی آن است که در موارد شوک سپتیک که جان بیمار در خطر است و نیازمند درمان مناسب و سریع با توجه به نوع باکتری میباشد، بیش از پیش نمایان میگردد. در این پروژه، ساخت سیستم اتوماتیک کشت پاتوژن آلودهکننده خون مدنظر است تا بتوان با سرعت بیشتر، دقت بالاتر و تعداد بیشتر، ریسک کشت اشتباه را باتوجهبه بازه زمانی کوتاه باقیمانده برای درمان فرد مبتلا به سپتیسمیا کاهش داد و به نجات جان بیماران کمک نمود. همچنین در این پروژه طراحی یک محیط کشت فوق مغذی و یک سنسور امولسیونی مایع که به تغییرات pH محیط کشت حساس است، مورد هدف میباشد. در انتها، میتوان فرایند کشت این پاتوژنها را اتوماتیک نمود که به افزایش نرخ سرعت تشخیص مثبت کمک شایانی مینماید. این سنسورها از نانوذرات میسلار سورفاکتانتهای مختلف که اندیکاتورهای pH مورد نظر را درون خود در تماس با یک بستر RTV Silicone محبوس نمودهاند، ساختهمیشود. کربندیاکسید ناشی از رشد باکتریها در محیط کشت میتواند با عبور از سیلیکون دارای قابلیت تراوایی انتخابی به دیاکسیدکربن، باعث تغییرات pH درون نانوذرات میسلار ذکرشده و در پی آن سبب تغییر اندیکاتورها و در نهایت تغییر رنگ سنسور شود که این تغییرات رنگ توسط یک سیستم فوتودیود/دیود تابنده نور در محدوده طول موجهای مشخصی هر ده دقیقه احساس و ضبط میگردد. ضرورت ساخت سنسور مورد نظر برای اتوماسیون سیستم مذکور مؤید پیچیدگی بیش از پیش این طرح میباشد که دستیابی به فناوری آن را هدفی استراتژیک و مهم مینماید.
مسئله اصلی تحقیق
مشکلات پردازش دستی نمونههای میکروبی در بیمارستانها همیشه فرایندی طاقتفرسا، پرتکرار، پرخطر و همچنین باتوجهبه تمامی این موارد، پر از خطا توسط پرسنل بوده است. با تکیه بر تکنولوژیهای عصر نوین، فرایندهای آزمایشگاههای میکروبی بالینی به سمت اتوماسیون پیش میروند تا بتوانند در آینده با توجه به جمعیت سالخورده که تعداد این آزمایشها را افزایش میدهد، همچنین کمبود پرسنل آموزشدیده و تعدد مشکلاتی از این دست، پاسخگوی نیاز ایجاد شده باشند؛ بنابراین اتوماسیون میکروبی بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. از میان روشهای اتوماتیک، اولین روش از دستگاههایی بهره میبرد که دارای کربوهیدراتهای نشاندار شده با کربن رادیواکتیو بودهاند. در سال 1969 دلاند و واگر سیستمی ساختند که بر مبنای روش رادیومتریک، کربن رادیواکتیو (14C) تولیدشده توسط میکروارگانیسمها را حس میکرد. به این شکل که با مصرف این کربوهیدراتهای نشاندار شده، گاز کربندیاکسید تولیدشده نیز دارای تشعشع خواهدبود و در نهایت با سمپلینگ اتوماتیک، میزان تشعشع این گاز مورد آنالیز قرار گرفته و میزان این تشعشع بهعنوان نمایندهای از تعداد میکروارگانیسمهای فعال (CFU (Colony Forming Unit در نظر گرفته میشد. این سیستم در سال 1960 با نام بک تک 460 وارد بازار دنیا شد و مورداستفاده قرار گرفت. به علت مشکلات فراوانی که استفاده از این نوع سیستم مانند تشعشع و کار با مواد رادیواکتیو داشت، برای اولینبار سیستمی تحت نام بکت الرت در سال 1990 طی یک مقاله معرفی و نشان داده شد که با روش رنگسنجی، بدون استفاده از مواد نشاندارشده رادیواکتیو میتوان سنجش رشد باکتریها را انجام داد. تا کنون دستگاههای فراوانی همچون3D Bact/Alert و BACTEC 960 و همچنین نسلهای جدیدتر هر دو برند از روشهای مبتنی بر تکنولوژیهای نوری که یا بازتابسنجی و یا اندازهگیری فلوئورسانس هستند، استفاده نمودهاند که تاکنون نیز مورداستفاده بوده است.
در سراسر جهان این دستگاهها با فراهم کردن امکان تشخیص دقیقتر و سریعتر به بیماران بسیاری کمک کردهاند. در پروژه کنونی با تکیه بر این موضوع که روشهای کشت اتوماتیک بهخصوص روش نوری توسط سیستمهایی مانند Bact/Alert و BACTEC بهعنوان استاندارد طلایی کشت خون پذیرفته شدهاند، یک سیستم اتوماتیک پیشنهاد شده است. این سیستم مبتنی بر روش رنگسنجی و مشابه سیستمهای کنونی شرکت BioMereieux میباشد. در انتهای هر کدام از بطریهای کشت یک سنسور وجود دارد. این سنسور شیمیایی با اتکا بر ساختار امولسیونی خود که از نوع آب در سیلیکون میباشد، میتواند با عبور کربندیاکسید از فاز خارجی یعنی سیلیکون و انحلال کربندیاکسید در فاز داخلی یعنی فاز آبی دارای اندیکاتور pH با تغییر رنگ نشان دهد که رشد باکتریها اتفاق افتاده است. بهینهسازی این تغییر رنگ، پایداری سنسور مورد نظر و... از موارد مورد بررسی برای دستیابی به یک فرمولاسیون بهینه برای سنسورهای گفته شده میباشد. بطریهای کشت مورد نظر دارای یک محیط مائی مغذی، یک سنسور، رزینهای جاذب آنتی بیوتیک و همچنین یک سنسور در انتهای بطری هستند که پیشتر به آن اشاره شد. در این میان رزینهای جاذب آنتیبیوتیک میتوانند با جذب آنتیبیوتیک به خود، به کشت باکتری موجود در نمونه در صورتی که بیمارِ دهنده نمونه، تحت درمان با عوامل ضد باکتری است، کمک نماید. یافتن رزین مناسب با بهترین جذب عوامل آنتی بیوتیکی از جمله چالشهای مورد بررسی این تحقیق خواهد بود. یک برد مدار چاپی در انتهای نگهدارنده هر بطری قرار خواهد گرفت. طراحی و ساخت این ماژول حسگر بازتاب سنجی نیز بخش اعظمی از زیر ساخت سخت افزاری مورد نیاز برای پایش مداوم رشد میکروبی خواهد بود. در نهایت با سایر بخشهای مکانیک، الکترونیک و نرمافزار میتواند نمودار رشد بر حسب زمان را برای هر بطری رسم و امکان تحلیل و بررسی آن را توسط الگوریتم تشخیصی نرمافزار را ارئه بدهد. در این پروژه هدف، کار بر روی هر دو بخش یعنی بطریهای کشت حاوی سنسور و دستگاه مورد نظر به جهت پایش رشد مداوم درون بطریها است. دستگاه مذکور حاوی سه بخش مکانیک، الکترونیک و نرمافزار است. به این شکل که قسمت مکانیک همچون سازه دستگاه، مکانیزم تکاندادن بطریها را بر عهده دارد، قسمت الکترونیک شامل قسمت سختافزاری سیستم ایجاد و کنترل دما درون دستگاه، سیستم کنترل سرعت حرکت تکاندادن بطریها، سیستم حسگر دارای واحد تابنده نور و دریافتکننده آن، قسمت پردازشگر سیگنال و در نهایت قسمت نرمافزاری که شامل بخش کنترل تمامی فاکتورهای دخیل در دستگاه همچون دما، سرعت تکان دادن، ثبت سیگنال رشد در هر ده دقیقه و سپس تحلیل آن با تکیه بر الگوریتمهای خود میباشد.
درباره تیم پژوهشی
نام و نام خانوادگی |
رشته/ مقطع تحصیلی |
همکار/ مشاور طرح |
وضعیت شغلی |
دکتر حمید فروتنفر |
دکتری حرفهای داروسازی - دکتری تخصصی بیوتکنولوژی دارویی |
مجری |
ریاست دانشکده داروسازی دانشگاه علوم پزشکی کرمان |
دکتر محمد محسن عبدالرشیدی |
دکتری حرفهای داروسازی |
مجری |
مدیر تحقیق و توسعه شرکت فعال در حوزه دارو |
دکتر احمد جعفری |
دکتری حرفهای پزشکی - دانشجوی دکتری تخصصی پاتولوژی |
مشاور |
پژوهشگر حوزه تکنیکهای تشخیصی نوین در تشخیص بالینی |
مهندس علی بیدویینژاد |
کارشناسیارشد مکاترونیک |
مجری |
شاغل در بخش خصوصی |
سوابق عرضهکننده فناوری و مسئول اصلی تیم پژوهشی
آقای دکتر حمید فروتنفر، بهعنوان سرپرست تیم، دکتری داروسازی خود را در سال 1384 دریافت نموده و سپس تحصیل در رشته تخصصی زیستفناوری دارویی را در دانشگاه علوم پزشکی تهران آغاز کرد و رتبه نخست را در بورد تخصصی این رشته بهدست آورده است. ایشان بهعنوان یکی از فعالان تخصصی این رشته در ایران و همچنین با توجه به داشتن تجربه فراوان در راهاندازی و انجام پروژههای تحقیقاتی - صنعتی مختلف، مدیریت تیم را بر عهده دارد. آقای دکتر فروتنفر صاحب H index-35 است.
آقای دکتر محمد محسن عبدالرشیدی، فارغالتحصیل رشته داروسازی، دارای تجربه تحقیق و توسعه در صنعت داروسازی ایران و همچنین هدایت تیمهای تحقیق و توسعه مختلف در حوزههای دارویی و تجهیزات پزشکی است.
آقای دکتر احمد جعفری جوشقان، پزشک عمومی و دانشجوی تخصص رشته پاتولوژی میباشند که از محققان فعال در زمینه تشخیص میکروبی در دانشگاه علومپزشکی مشهد هستند.
آقای مهندس علی بیدویینژاد، مقطع کارشناسی خود را در رشته الکترونیک و سپس کارشناسیارشد مکاترونیک به انجام رسانده و توانمندی خود در فعالیتهای تحقیق و توسعه را در پروژههای گوناگون در حوزه تجهیزات پزشکی به اثبات رسانیده است و از جمله پروژههای موفق ساخت و توسعه دستگاه تست دیسولوشن قرص و کپسول صنایع داروسازی میباشد که هماکنون در صنایع داروسازی ایران مورداستفاده قرار میگیرد.
مزایا
اتوماسیون فرایند کشت خون یکی از تستهای فوقالعاده پرزحمت در آزمایشگاههای میکروبی به همراه ریسک آلودگی برای اپراتور میباشد. اتوماسیون این فرایند هم ریسک اپراتور را در مواجهه با نمونههای آلوده کاهش میدهد و هم باعث راحتتر انجام شدن تست در تعداد بالا میگردد و در نهایت نیز با کاهش زمان رسیدن به پاسخ کشت میتواند به درمان سریعتر و دقیقتر بیماران مبتلا به سپتیسمیا کمک شایانی بنماید.
کاربرد
این محصول برای تشخیص سریع و دقیق آلودگی خون و سایر مایعات استریل بدن به کار خواهد رفت و همچنین باعث تسریع آمادهسازی کشت اولیه پاتوژن در صورت آلودهبودن خون بیمار به عامل بیماریزا میگردد. تسریع آمادهسازی کشت اولیه خون و افزایش سرعت کشت و بهدنبال آن کاهش زمان تشخیص میتواند به نجات جان بیماران کمک شایانی نماید.
خروجیهای مورد انتظار تحقیق
- طراحی و ساخت بطری کشت خون، با قابلیت تشخیص حداکثر 72 ساعت با میانگین زمانی مثبت برای نمونههای خونی آلوده به سویههای هوازی زیر 40 ساعت و درصد مثبت 100، برای نمونههای آلوده به CFU20 و بالاتر.
- طراحی و ساخت نمونه اولیه دستگاه کشت خون اتوماتیک با استفاده از روش رفلکتومتری با قابلیت حفظ دما 37 درجه سانتیگراد با دقت 1± سانتیگراد و سرعت هم زدن 60 دور بر دقیقه با دقت ±1 دور بر دقیقه.
هزینه و زمان اجرای طرح
- هزینه اجرای طرح حدود 500 میلیون تومان برآورد میشود.
- مدتزمان اجرای طرح حدود 14 ماه برآورد میشود.
تسهیم مالکیت فکری
- مالکیت معنوی: مشارکتکننده در مالکیت معنوی ناشی از اجرای تحقیق سهیم خواهد بود و انتشار مقاله مشترک توسط مجری و مشارکتکننده در ژورنالهای داخلی و خارجی، ارائه مقاله در کنفرانسها و سمینارها با موافقت و اشاره به نام همه دستاندرکاران مجاز خواهد بود.
- مالکیت منافع مادی: سهم مشارکت شرکت/شتابدهنده متقاضی حداقل 10 و حداکثر 35 درصد خواهد بود (منافع مالی ناشی از توسعه این فناوری بر اساس توافق طرفین و مشترک خواهد بود و باتوجهبه سهم آورده نقدی و غیرنقدی توسعهدهنده، سهم مالکیت قابلمذاکره و توافق است).
ارتباط با ما
شماره تماس:
021-88486498
اینستاگرام:
iran.challenges@