كيف يتم الكشف عن فيروس كوفيد-19 باستخدام تقنية RT-PCR في الوقت الحقيقي؟

شرح الموضوعات النووية

ما هي تقنية RT-PCR في الوقت الحقيقي؟ وكيف تكشف هذه التقنية عن فيروس كورونا؟  وما هي علاقتها بالتكنولوجيا النووية؟ إليكم لمحة عامة مفيدة بشأن هذه التقنية، وكيفية عملها، وبعض التفاصيل لتجديد معلوماتكم بشأن الفيروسات وعلم الوراثة.

<p>تعدُّ تقنية RT-PCR في الوقت الحقيقي إحدى أكثر الأساليب المختبرية دقةً واستخداماً للكشف عن فيروس كورونا المستجد. (الصورة من: الوكالة الدولية للطاقة الذرية)</p>

نظراً إلى أنَّ الفيروس الذي يتسبب في العدوى بمرض كوفيد-19 آخذ في الانتشار في جميع أنحاء العالم، تعملُ الوكالة بالتعاون مع منظمة الأغذية والزراعة للأمم المتحدة (الفاو) على تقديم دعمها وخبراتها لمساعدة البلدان على استخدام تقنية الاستنساخ العكسي في الوقت الحقيقي-التفاعل البوليميري المتسلسل (RT-PCR في الوقت الحقيقي)، وهي إحدى أدقّ الأساليب المختبرية المستخدمة للكشف عن فيروس كورونا وتعقبه وإجراء دراسات بشأنه.

ولكن، ما هي تقنية RT-PCR في الوقت الحقيقي؟ وكيف تعمل هذه التقنية؟  وما هي علاقتها بالتكنولوجيا النووية؟ إليكم لمحة عامة مفيدة بشأن هذه التقنية، وكيفية عملها، وبعض التفاصيل لتجديد معلوماتكم بشأن الفيروسات وعلم الوراثة.

ما هي تقنية RT-PCR في الوقت الحقيقي؟

وتقنية RT-PCR في الوقت الحقيقي هي عبارة عن أسلوب مستمد من المجال النووي يُستخدم للكشف عن تواجد مواد وراثية متأتية من أي نوع من المُمْرِضَات، بما في ذلك الفيروسات. وفي الأصل، كان هذا الأسلوب قائماً على استخدام النظائر المشعّة بمثابة واسمات للكشف عن المواد الوراثية المُستهدفة، بيد أنّ التحسين الذي أدخل لاحقاً على هذه التقنية أدى إلى الاستعاضة عن الوسم النظيري بواسمات خاصة تكون في المعظم الأحيان أصباغاً فلوريةً. وبفضل هذه التقنية، يمكن للعلماء الاطلاع على النتائج بشكل شبه فوري بينما لا تزال عملية الكشف جارية. ولا تتيح تقنية RT-PCR التقليدية إمكانية الاطلاع على النتائج إلاَّ بعد انتهاء عملية الكشف.

وفي حين تُعدُّ تقنية RT-PCR في الوقت الحقيقي الأسلوب الأكثر استخداماً للكشف عن فيروسات كورونا، لا تزال العديد من البلدان في حاجة إلى الدعم لإعداد هذه التقنية واستخدامها.

ما هو الفيروس؟ وما هي المواد الوراثية؟

الفيروس هو عبارة عن توليفة مجهرية من المواد الوراثية يُحيطُ بها غلاف جزيئي. وتكون المواد الوراثية إما في شكل حمض ريبي نووي منزوع الأوكسجين (حمض د.ن.أ) أو في شكل حمض نووي ريبي (حمض ر.ن.أ). 

وحمض د.ن.أ هو عبارة عن جُزَيءٍ ذي جُدَيلتينِ موجود في جميع الكائنات مثل الحيوانات والنباتات والفيروسات، ويكون هذا الحمض حاملاً للشفرة الوراثية، أو المخطط، فيما يتعلّق بالكيفية التي تتكون بها هذه الكائنات وتتكاثر.

أما حمض ر.ن.أ فهو بوجه عام جزيء ذو جُدَيلة واحدة يقوم بنسخ أجزاء من الشفرة الوراثية واستنساخها ونقلها إلى البروتينات لكي يتسنى لهذه الأخيرة تكوين وتنفيذ الوظائف الكفيلة ببقاء هذه الكائنات وتكاثرها. وهنالك أنواع مختلفة من جزيئات ر.ن.أ منها التي تقوم بعملية النسخ، والتي تقوم بعملية الاستنساخ، والتي تقوم بعملية النقل.

وهنالك بعض الفيروسات من قبيل فيروس كورونا (SARS-Cov2) التي لا تنطوي إلاَّ على حمض ر.ن.أ، مما يعني أنّها تعتمد على ارتشاح الخلايا السليمة من أجل التكاثر والبقاء. وبمجرد اقتحامه الخلية، يستخدم الفيروس شفرته الوراثية — حمض ر.أ.ن في حالة فيروس كورونا — للسيطرة على الخلايا و"إعادة برمجتها" لكي تصبح بمثابة مصانع للفيروسات.  

وحتى يتسنى الكشف في جسم الإنسان عن فيروس كورونا على نحو مبكّر باستخدام تقنية RT-PCR في الوقت الحقيقي، يتعيَّن على العلماء تحويل حمض ر.ن.أ إلى حمض د.ن.أ. ويُطلق على هذه العملية اسم "الاستنساخ العكسي". ويلجأ العلماء إلى هذه العملية لأنّ حمض د.ن.أ هو الحمض الوحيد الذي يمكن نسخه — أو تضخيمه — ويُعدُّ ذلك جزءاً أساسياً من عملية الخاصة بتقنية RT-PCR في الوقت الحقيقي للكشف عن الفيروسات.

ويقوم العلماء بتضخيم جزء معيَّن من حمض د.ن.أ الفيروسي المستنسخ مئات الآلاف من المرات. وتعدّ مرحلة التضخيم مهمة بما أنه وعوضاً عن محاولة الكشف عن قدر ضئيل من الحمض الفيروسي من بين الملايين من جدائل المعلومات الوراثية، يتوافر لدى العلماء عقب مرحلة التضخيمِ قدرٌ كاف من أجزاء حمض د.ن.أ الفيروسي المستهدفة لتأكيد وجود الفيروس بدقة.

كيف تكشف تقنية RT-PCR في الوقت الحقيقي عن فيروس كورونا؟

تؤخذ عينة من إفرازات أجزاء الجسم البشري التي يتجمّع فيها فيروس كورونا، من قبيل أنف الشخص أو حلقه. توُعالجُ العينةُ باستخدام عدة محاليل كيميائية تكفل إزالة مواد من قبيل البروتينات والدهون، وتستخرج فقط حمض ر.أ.ن الموجود في العينة. وحمض ر.أ.ن المستخرجُ هذا هو مزيج من الموادِ الوراثية الخاصة بالشخص، وحمضِ ر.ن.أ الخاص بفيروس كورونا، إن وُجِدَ.

ويُستنسخُ حمض ر.ن.أ عكسياً إلى حمض د.ن.أ باستخدام إنزيم خاص. ثم يُضيف العلماء شُدَفاً قصيرة من حمض د.ن.أ تكون مُكمّلة لأجزاء معيّنة من حمض د.ن.أ الفيروسي المستنسخ. وترتبط هذه الشُّدف بأجزاء حمض د.ن.أ الفيروسي المستهدفة في حال تواجد الفيروس في العينة. وتُستخدم بعض الشدف الوراثيةِ المضافةُ لتوليد جدائل د.ن.أ خلال مرحلة التضخيم، في حين تستخدم أخرى لتوليد جدائل د.ن.أ وإضافة واسمات وراثية إلى الجدائل، وتُستخدم هذه الجدائل فيما بعد للكشف عن الفيروس.

ثم يُوضع المزيج المُتحصل عليه داخل الجهاز الخاص بتقنية RT-PCR. ويقوم الجهاز بإخضاع المزيج إلى درجات حرارة متباينة تؤدي إلى تسخين المزيج وتبريده لحفز تفاعلات كيميائية تُولَّدُ من خلالها نسخ جديدة ومطابقة من أجزاء حمض د.ن.أ الفيروسي المستهدفة. وتُكرّرُ دورات إخضاع المزيج إلى درجات حرارة متباينة لمواصلة نسخ أجزاء حمض د.ن.أ الفيروسي المستهدفة. وتُضاعِفُ كلُّ دورةٍ الكميةَ السابقةَ: تصبح النسختان أربعاً، وتصبح النسخ الأربع ثمانياً، وهكذا دواليك. وعادة ما يمر تكوين قياسي باستخدام تقنية RT-PCR في الوقت الحقيقي بـ 35 دورة مما يعني أنه يتم خلال العملية برمتها، انطلاقاً من كل جديلة متأتية من الفيروس تكون موجودة في العينة، توليدُ 35 مليار نسخة جديدة من أجزاء حمض د.ن.أ الفيروسي المستهدفة.

وخلال عملية توليد النسخ الجديدة من أجزاء حمض د.ن.أ الفيروسي المستهدفة، تلتصق الواسمات الوراثية بجدائل د.ن.أ وتُطلق أصباغاً فلوريةً يتم قياسها بواسطة الحاسوب الخاص بالجهاز المذكور وتُعرض نتائج القياس على شاشة هذا الحاسوب في الوقت الحقيقي. ويتعقّب الحاسوب مقدار التفلور في العينة عقب كل دورة. وعندما يتجاوز هذا المقدار مستوى معيناً من التفلور، يعني ذلك أنَّ الفيروس موجود في العينة. ويرصد العلماء أيضاً عدد الدورات المطلوبة لبلوغ هذا المستوى بغية تقييم وخامة العدوى: فكلما قل عدد الدورات كلما اشتدت وخامة العدوى بالفيروس.

ما هي جدوى استخدام تقنية RT-PCR في الوقت الحقيقي؟

تعتبرُ تقنية RT-PCR في الوقت الحقيقي تقنية حساسة للغاية ومحدَّدة من شأنها توفير تشخيص موثوق في غضون ثلاث ساعات فقط، في حين أن التشخيص الذي توفره المختبرات عادة ما يستغرق في المتوسط فترة من الزمن تتراوح من 6 إلى 8 ساعات. ومقارنة بالأساليب المتاحة الأخرى التي تُمكن من عزل الفيروسات، فإنّ تقنية RT-PCR في الوقت الحقيقي أسرع بكثير وتقل معها احتمالات حصول تلوث أو أخطاء بما أن عملية الكشف برمتها تتم داخل أنبوب مغلق. وهي ما زالت تعدُّ أدقَّ وسيلة متاحة للكشف عن فيروس كورونا.

أما فيما يتعلّق بالكشف عن حالات العدوى السابقة، وهو أمر مهم لفهم آليات تطور الفيروس وانتشاره، فمن غير الممكن استخدام تقنية RT-PCR في الوقت الحقيقي نظراً إلى أن الفيروسات لا تظل موجودة داخل الجسم إلاَّ لفترة زمنية محددة. ويتطلّب تشخيص حالات العدوى وتعقبها وإجراء دراسات بشأنها أساليب أخرى، لا سيما فيما يتعلّق بحالات العدوى التي ربما تكون قد تطورت وانتشرت دون ظهور أعراض.

وقد عملت الوكالة بالتعاون مع الفاو لأكثر من 20 عاماً على تدريب خبراء من جميع أنحاء العالم على استخدام تقنية RT-PCR في الوقت الحقيقي وتزويدهم بالمعدات اللازمة، لا سيما من خلال شبكتها الخاصة بمختبرات التشخيص البيطري (فيتلاب). ومؤخراً، استخدمت هذه التقنية لتشخيص أمراض أخرى من قبيل الإيبولا، وزيكا، ومتلازمة الشرق الأوسط التنفسية (MERS-Cov)، ومتلازمة الالتهاب الرئوي الحاد الوخيم (SARS-Cov1) وغيرها من الأمراض الحيوانية المصدر والأمراض الحيوانية الرئيسية. والأمراض الحيوانية المصدر هي أمراض حيوانية يمكن أن تصيب البشر أيضاً. 

What is real time RT–PCR?

Real time RT–PCR is a nuclear-derived method for detecting the presence of specific genetic material in any pathogen, including a virus. Originally, the method used radioactive isotope markers to detect targeted genetic materials, but subsequent refining has led to the replacement of isotopic labelling with special markers, most frequently fluorescent dyes. This technique allows scientists to see the results almost immediately while the process is still ongoing, whereas conventional RT–PCR only provides results at the end of the process.

Real time RT–PCR is one of the most widely used laboratory methods for detecting the COVID-19 virus. While many countries have used real time RT–PCR for diagnosing other diseases, such as Ebola virus and Zika virus, many need support in adapting this method for the COVID-19 virus, as well as in increasing their national testing capacities.

(Update on 16 November: Read our article on how the technology is used to track mutation of the virus and support vaccine research.)

What is a virus? What is genetic material?

A virus is a microscopic package of genetic material surrounded by a molecular envelope. This genetic material can be either deoxyribonucleic acid (DNA) or ribonucleic acid (RNA).

DNA is a two-strand molecule that is found in all organisms, such as animals, plants and viruses, and which holds the genetic code, or blueprint, for how these organisms are made and develop.

RNA is generally a one-strand molecule that copies, transcribes and transmits parts of the genetic code to proteins so that they can synthetize and carry out functions that keep organisms alive and developing. Different variations of RNA are responsible for copying, transcribing and transmitting.

Some viruses such as the coronavirus (SARS-CoV-2), which causes COVID-19, only contain RNA, which means that they rely on infiltrating healthy cells to multiply and survive. Once inside the cell, the virus uses its own genetic code — RNA in the case of the COVID-19 virus — to take control of and ‘reprogramme’ the cells, turning them into virus-making factories.

In order for a virus like the COVID-19 virus to be detected early in the body using real time RT–PCR, scientists need to convert the RNA to DNA. This is a process called ‘reverse transcription’. They do this because only DNA can be copied — or amplified — which is a key part of the real time RT–PCR process for detecting viruses.

Scientists amplify a specific part of the transcribed viral DNA hundreds of thousands of times. Amplification is important so that, instead of trying to spot a minuscule amount of the virus among millions of strands of genetic information, scientists have a large enough quantity of the target sections of viral DNA to accurately confirm that the virus is present.

How does real time RT–PCR work with the COVID-19 virus?

A sample is collected from the parts of the body where the COVID-19 virus gathers, such as a person’s nose or throat. The sample is treated with several chemical solutions that remove substances such as proteins and fats and that extract only the RNA present in the sample. This extracted RNA is a mix of the person’s own genetic material and, if present, the virus’s RNA.

The RNA is reverse transcribed to DNA using a specific enzyme. Scientists then add additional short fragments of DNA that are complementary to specific parts of the transcribed viral DNA. If the virus is present in a sample, these fragments attach themselves to target sections of the viral DNA. Some of the added genetic fragments are used for building DNA strands during amplification, while the others are used for building the DNA and adding marker labels to the strands, which are then used to detect the virus.

The mixture is then placed in an RT–PCR machine. The machine cycles through temperatures that heat and cool the mixture to trigger specific chemical reactions that create new, identical copies of the target sections of viral DNA. The cycle is repeated over and over to continue copying the target sections of viral DNA. Each cycle doubles the previous number: two copies become four, four copies become eight, and so on. A standard real time RT–PCR set-up usually goes through 35 cycles, which means that, by the end of the process, around 35 billion new copies of the sections of viral DNA are created from each strand of the virus present in the sample.

As new copies of the viral DNA sections are built, the marker labels attach to the DNA strands and then release a fluorescent dye, which is measured by the machine’s computer and presented in real time on the screen. The computer tracks the amount of fluorescence in the sample after each cycle. When a certain level of fluorescence is surpassed, this confirms that the virus is present. Scientists also monitor how many cycles it takes to reach this level in order to estimate the severity of the infection: the fewer the cycles, the more severe the viral infection is.

Why use real time RT–PCR?

The real time RT–PCR technique is highly sensitive and specific and can deliver a reliable diagnosis in as little as three hours, though laboratories take on average between six and eight hours. Compared to other available virus isolation methods, real time RT–PCR is significantly faster and has a lower potential for contamination or errors, as the entire process can be carried out within a closed tube. It continues to be the most accurate method available for the detection of the COVID-19 virus.

However, real time RT–PCR cannot be used to detect past infections, which is important for understanding the development and spread of the virus, as viruses are only present in the body for a specific window of time. Other methods are necessary to detect, track and study past infections, particularly those which may have developed and spread without symptoms.

What is PCR and how is it different from real time RT–PCR?

RT–PCR is a variation of PCR, or polymerase chain reaction. The two techniques use the same process except that RT–PCR has an added step of reverse transcription of RNA to DNA, or RT, to allow for amplification. This means PCR is used for pathogens, such as viruses and bacteria, that already contain DNA for amplification, while RT–PCR is used for those containing RNA that needs to be transcribed to DNA for amplification. Both techniques can be performed in ‘real time’, which means results are visible almost immediately, while when used ‘conventionally’, results are only visible at the end of the reaction.

PCR is one of the most widely used diagnostic tests for detecting pathogens, including viruses, that cause diseases such as Ebola, African swine fever and foot-and-mouth disease. Since the COVID-19 virus only contains RNA, real time or conventional RT–PCR is used to detect it.

For over 20 years, the IAEA, in partnership with the FAO, has trained and equipped experts from all over the world to use the real time RTPCR method, particularly through its VETLAB Network of veterinary diagnostic laboratories. Recently, this technique has also been employed to diagnose other diseases, such as Ebola, Zika, MERS and SARS, as well as other major animal diseases. It has also been used to detect major zoonotic diseases, which are animal diseases that can also infect humans.