بیوتروریسم و تشخیص زود هنگام عوامل بیوتروریسم بوسیله نانوسنسورها

بیوتروریسم و تشخیص زود هنگام عوامل بیوتروریسم بوسیله نانوسنسورها

مرجان مجابي

چکیده:

روش‌های بيشماری جهت شناسایی و تعیین هویت عوامل بیوتروریسم موجود می‌باشد، برخی از این روش‌ها تا قبل از سپتامبر 2001 و برخی دیگر بعد از آن زمان توسعه یافته‌اند، اگرچه برای بسیاری از آنها ادعا شده است که سریع، دقیق و قابل اعتماد می‌باشند اما واقعیت این است که تعداد محدودی از آنها به طور کاربردی برای تشخیص عوامل بیوتروریسم مورد استفاده قرار گرفته است.

جهان علم در طی چند دهه اخیر شاهد پیشرفت‌های چشمگیری بوده و یافته‌های بشر در زمینه‌های علوم با مطالعات عمیق و جامع به دستاوردهای جدیدی در جهان علم منجر شده است، از جمله این دستاوردهای نوین نانوفناوری می‌باشد.

تشخیص عوامل بمب‌های شیمیایی و تروریسم زیستی از اساسی‌ترین فعالیت‌ها در عرصه پدافند جنگ‌های نوین است، از این رو توسعه ابزار جدیدی که قادر به آنالیز مستقیم، حساس و سریع این عوامل باشد می‌تواند جهشی در روش‌های تشخیص ایجاد نماید. با پیشرفت علوم و پیدایش تجهیزات الکتریکی و تحولات عظیمی که در چند دهه اخیر و در خلال قرن 20 به وقوع پیوسته، نیاز به ساخت حسگر‌های دقیق‌تر، کوچک‌تر و دارای قابلیت‌های بیشتر احساس می‌شود.

مقدمه:

عوامل بیولوژیکی که سلامت عمومی را تهدید می‌کنند به عنوان عوامل انتخابی تعریف می‌شوند. CDC این عوامل را به صورت A,B,C طبقه بندی کرده و به تصویب رسانده است. بر حسب نوع عامل انتخابی آزمایشگاه‌هایی‌ را برای انتقال و بررسی در نظر گرفته‌اند. چند عامل بیماری بیولوژیک وجود دارند که می‌توانند برای اهداف بیوتروریستی بکار روند؛ برخي از این عوامل مانند ویروس ابولا، لاسا و ویروس‌های دیگر، عامل تب خونریزی دهنده، سیاه زخم ریوی، ویروس آبله، طاعون ریوی و توکسین‌های پروتئینی خالص مانند توکسین ریسین و توکسین کلستریدیوم بوتولینیوم، کشنده می‌باشند.

اما عواملی نیز مانند بروسلوز، تب کیو، تولارمی، عفونت‌های مایکوپلاسما و توکسین‌های کپکی از قبیل مایکوتوکسین T2 وجود دارند که ناتوان کننده هستند. این عوامل کشنده نبوده ولی می‌توانند مشکلات سلامتی مزمن و جدی در بیماران آلوده ایجاد کنند و اکثراً مسری بوده و بیماری می‌تواند منتشر شده و ایجاد اپیدمی بیماری‌های مزمن کند. عواملی مثل ویروس تب‌دار خونریزی دهنده به محیط اطراف حساس بوده و نسبت به نور خورشید و درجه حرارت بی‌نهایت ناپایدار هستند و اگر به صورت آیروسل اسپری طولانی مدت بخواهند گسترش یابند مؤثر نخواهند بود. ویروس‌ها اکثراً به طور سریع ایجاد علائم و نشانه کرده و اجازه جداسازی سریع قربانیان را می‌دهند، بنابراین پیشگیری از پخش بیماری راحت‌تر خواهد بود، در صورتی که بسیاری از عوامل ناتوان کننده، باکتری یا ویروس‌هایی هستند که به آهستگی ایجاد بیماری کرده و تا مدت‌ها مورد توجه نمی‌باشند و در طی این دوره به آرامی منتقل می‌شوند، مانند آلودگی‌های مایکوپلاسما فرمنتانس. اگر حمله آشکار باشد حتی در صورت ادامه تلفات و ناخوشی‌ها در افراد انتظار واکنش سریع نداریم.

طبقه A:

این عوامل خطر بالقوه‌ای برای امنیت ملی ایجاد می‌کنند و به آسانی منتقل و منتشر شده، سلامتی عمومی را به طور جدی به خطر انداخته و مرگ و میر بالایی دارند. ممکن است سبب تهدید عمومی شده یا نیاز به واکنش اختصاصی برای آمادگی بهداشت عمومی داشته باشند.

تولارمی

تولارمی یا تب خرگوشی اگر درمان شود درصد مرگ و میر پایینی دارد اما می‌تواند به شدت سبب ناتوانی شود. بیماری توسط باکتری فرانسیسلا تولارنسیس ایجاد می‌شود و راه انتقال آن می‌تواند از طریق تماس با پوست خزدار، استنشاق، آب و غذای آلوده یا حشرات باشد. فرانسیسلا تولارنسیس بسیار عفونی است. تعداد کمی از ارگانیسم (100-50 باکتری) می‌تواند ایجاد بیماری کند. اگر از این باکتری به عنوان سلاح استفاده گردد احتمالاً آن را به صورت ذرات معلق در هوا برای استنشاق تهیه می‌کنند. افرادی که آیروسل عفونی را استنشاق کنند اگر درمان نشوند عموماً به بیماری تنفسی شدید مانند پنومونی تهدید کننده زندگی و عفونت سیستمیک مبتلا خواهند شد. باکتری عامل تولارمی در طبیعت به طور وسیعی وجود دارد و آن را می‌توان جدا نموده و در آزمایشگاه تکثیر کرد، اگر چه به صورت سلاح درآوردن آن در آیروسل مؤثر نیاز به مهارت قابل توجهی دارد. زمانی که آیروسل آن به عنوان منبع آلودگی استفاده شود بیماری به آهستگی بروز می‌کند. علائم آن متفاوت بوده و پس از یک دوره نهفتگی 10-2 روزه ایجاد تب، لرز، سردرد، تهوع، اسهال و استفراغ و دردهای عضلانی می‌کند. بیماران زیادی پنومونی همراه با سرفه دارند. انتقال شخص به شخص از راه هوا به ندرت رخ می‌دهد.

سیاه زخم

بیماری توسط باسیلوس آنتراسیس ایجاد می‌شود. واکسن سیاه زخم وجود دارد اما نیاز به تزریقات مکرر دارد. اگر سریع تشخیص داده شود با تجویز آنتی‌بیوتیک‌ها مثل (سیپروفلوکساسین) درمان می‌گردد. خطرناک ترین عامل بیولوژیک، اسپور این باکتری است که از طریق استنشاق منتقل شده و سریعاً کشنده است. قربانیان سیاه زخم ریوی در ابتدا علائمی از ناخوشی شبه آنفلوآنزا همراه با درد عضلانی، سرفه خشک و تب ملایم بروز می‌دهند. این علائم معمولاً در چند روز اول بروز می‌کند. در نوع تنفسی که شبیه آنفلوآنزا بوده اما سبب آبریزش از بینی نمی‌شود (بر خلاف آنفلوآنزا) علائم رفته رفته شدیدتر شده و اغلب درد شکم وجود دارد و چند روز بعد مشکلات تنفسی ایجاد شده و به سمت شوک می‌رود. سیاه زخم گوارشی و تنفسی اگر درمان نشوند منجر به مرگ می‌گردند.

آبله

عامل آن ویروس بسیار مسری واریولا است. پس از تماس، مدت نهفتگی آن تقریباً 17-7 روز است. علائم غیر اختصاصی آن تب، درد عضلانی، سردرد، خستگی، اسهال و استفراغ و یک راش اختصاصی است که پس از چند روز ظاهر می‌شود.

سم بوتولیسم

این سم یکی از مرگبارترین سموم شناخته شده است كه توسط باکتری کلستریدیوم بوتولینیوم تولید می‌شود و می‌تواند با خوردن غذاهای آلوده به طور طبیعی رخ دهد، اما در یک حمله تروریستی از ایروسل باکتری یا توکسین خالص شده آن ممکن است استفاده کنند. بیمار در 5-1 روز پس از آلودگی دچار علائم نورولوژیک از قبیل خشکی دهان، دوبینی، گشادی بیش از حد پاپیل، فلج موضعی و اشکال در بلع می‌شود. نوروتوکسین‌ها معمولاً سبب تب نمی‌شوند. بیمار هوشیار بوده و جهات را تشخیص می‌دهد. اکثر بیماران در اثر نارسایی تنفسی می‌میرند، بنابراین حمایت تنفسی ضروری است.

طاعون

این بیماری توسط باکتری یرسینیا پستیس ایجاد می‌شود. موش میزبان طبیعی آن است و از طریق نیش کک آلوده و یا دیگر حشرات و گاهی بوسیله آیروسل به شکل طاعون ریوی به انسان منتقل می‌شود. استفاده از این بیماری از قدیم در جنگ بیولوژیک توسط کشور‌های بسیاری صورت می‌گرفته است و بدلیل آسان بودن کشت آن و توانایی ابقا در میان موش‌های محلی برای مدت طولانی یک تهدید در نظر گرفته می‌شود.

تب‌های خونریزی دهنده ویروسی

این تب‌ها توسط اعضایی از خانواده فیلوویریده (ویروس ماربورگ، ویروس آبولا) و خانواده آرنا ویریده (مانند ویروس لاسا، ویروس ماکوپو) ایجاد می‌شوند. ویروس آبولا درصد مرگ و میر بالا با دامنه‌ای برابر 90-50 درصد دارد و درمان مراقبتی به طور رایج برای آن وجود ندارد، گرچه واکسن‌هایی را توسعه داده‌اند. این ویروس‌ها شیوع زیادی در آفریقا دارند ولی خوشبختانه در محیط برای مدت طولانی مقاوم نیستند.

طبقه بندی B:

انتشار عوامل این طبقه به طور متوسط آسان بوده و درصد مرگ و میر پایینی دارند.

• بروسلوز: (گونه‌های بروسلا) در اثر تماس با محصولات دامی و یا بعد از خوردن شیر آلوده ایجاد می‌شود. آیروسل‌های بروسلا در ایجاد عفونت بسیار مؤثر می‌باشند. بیماری در بیشتر از چند ماه به آهستگی گسترش می‌یابد. علائم آن نیز شبیه به آنفلوآنزا است.
• توکسین اپسیلون کلستردیوم پرفرژنس
• تهدید سلامتی مواد غذایی مثل گونه‌های سالمونلا
• گلاندرها
• ملیوئیدروزیس
• پسیتاکوزیس
• تب کیو (در تماس با حیواناتی مانند بز، گوسفند و گاو ممکن است ايجاد شود.)
• سم ریسین
• سم آبرین
• انتروتوکسین
• تیفوس
• مایکوپلاسما فرمنتانس

طبقه بندی C:

عوامل طبقه بندی C به صورت پاتوژن‌هایی بروز می‌کنند و ممکن است برای انتشار توده‌ای قابل دسترسی، تولید و برای انتشار آسان مهندسی شوند. درصد مرگ و میر و توانایی ایجاد معضل بهداشتی بالایی دارند.

• ویروس نیپاه Nipah
• نتاویروس
• ویروس سارس Sars
• سوش آنفلوآنزا
• HIV/AIDS

      بیوتروریسم و مشکلات متداول تشخیص:

بسیاری از عوامل مؤثر در یک حمله بیوترور، حتی عوامل کشنده، علائم و نشانه‌های غیر اختصاصی بالینی ایجاد می‌کنند، بنابراین اگر تلفات زیادی در مدت کوتاهی در منطقه‌ای رخ دهد آگاهی دادن مهم است. مراکز بهداشت عمومی باید برای تشخیص این دسته ناخوشی‌ها و واکنش مناسب آموزش دیده باشند. بروز تدریجی تلفات با نشانه‌ها و علائم مزمن معمولاً توسط مراکز بهداشت عمومی تشخیص داده نمی‌شود، اما اگر تشخیص سریع صورت گیرد حتی برخی عوامل کشنده با آنتی‌بیوتیک‌ها و آنتی‌ویروس‌ها قابل درمان می‌باشند؛ با این حال یک حمله تا مدتی ممکن است مورد توجه نباشد و تا تأیید تشخیص تعدادی مرگ و میر ایجاد نماید. عوامل بیولوژیک توسط تروریست‌ها نسبتاً آسان بدست می‌آید و مراکز بهداشت و آزمایشگاه‌ها باید روی سیستم‌های تشخیصی پیشرفته و فراهم نمودن هشدار سریع، تشخیص مناطق آلوده و افراد در معرض خطر و تسهیل درمان فوری برنامه داشته باشند. عامل بیولوژیک هر چه سریع‌تر باید تعیین هویت شده و منابع جغرافیایی و منشأ اولیه آن مشخص شود. در یک حمله بیوتروریستی یک مرحله مهم کسب فوری اطلاعات و اخبار از محیط‌های آلوده برای واکنش صحیح می‌باشد.

بیشتر عوامل بیوترور ایجاد نشانه‌ها و علائم بالینی یکسانی نمی‌کنند که در اشخاص در معرض آلودگی قابل تشخیص باشند. اگر فوری شناخته شوند هدف از یک حمله بیوترور را به شکست می‌کشاند و می‌توان افراد در معرض تماس که هنوز علائم بالینی را نشان نداده‌اند، درمان فوری کرد. شایع‌ترین عواملی که در یک حمله بیوترور استفاده می‌شود باکتری‌ها هستند. محتمل‌ترین عواملی که ممکن است در حمله بیوترور استفاده شوند شامل موارد زير است:

• آنتی‌بیوتیک‌ها‌: اگر عامل بیولوژیک باکتری باشد آنتی‌بیوتیک‌های رایج مؤثر خواهند بود. از آنتی‌بیوتیک‌های انتخابی می‌توان در شیموپروفلاکسی (پیشگیری با دارو) استفاده نمود. مصرف طولانی مدت آنتی‌بیوتیک خود می‌تواند مشکلاتی در افراد ایجاد نماید؛ برای مثال برخی اشخاص بر اثر مصرف سیپرفلوکساسین واکنش‌های آلرژیک می‌دهند و نیز این دارو به علت کريستال‌های آن ادرار را غلیظ می‌کند که جهت پیشگیری از ایجاد ادرار غلیظ بیمار باید آب زیاد مصرف کند.
• آنتی‌ویروس‌ها: داروهای ضد ویروسی تنها زمانی که عفونت تأیید شده باشد توصیه می‌گردد. به دلیل درصد بالای عوارض و واکنش‌های نامطلوب در مقایسه با آنتی‌بیوتیک‌ها برای استفاده به عنوان پیشگیری دارویی توصیه نمی‌شوند. برخی داروهای ضد ویروسی درون رگی تنها در یک مرکز بالینی تحت مراقبت ویژه باید تجویز شوند؛ از قبیل جنیسیتین (Genistein) كه برای مهار کیناز ویروسی و کاهش فعالیت کمپلمان و سلنیت برای مهار همانند سازی ویروسی، اسید لاوریک برای مهار متابولیسم لیپید ویروسی و فیلانتوس آماروس برای مهار ترانس کریپتاز معکوس ویروسی استفاده می‌گردد.
• واکسن‌ها: واکسن‌های اختصاصی می‌توانند برای محافظت در مقابل عوامل بیوترور باکتریایی و ویروسی بکار روند.
• مصونیت غیر فعال: این مصونیت با تجویز سرم‌های حاوی آنتی‌بادی‌هایی علیه عوامل اختصاصی بیوترور جایگزین با ارزشی است و تنها زمانی استفاده می‌شود که یک تماس تأیید شده صورت گرفته باشد.
• افزایش ایمنی و تغذیه: به طور کامل علیه عوامل بیوترور محافظت کننده نمی‌باشند، اما یک سیستم سالم ایمنی اولین خط دفاعی علیه میکروارگانیسم‌ها هستند و ممکن است شدت بیماری ایجاد شده را تعیین نمایند. تغذیه صحیح برای سیستم ایمنی ضروری است و رژیم غذایی باید از برخی ویتامین‌ها ( به ویژه B کمپلکس C  ) و املاح معدنی مانند روی، منیزیم، کرومیوم و سلنیت  غنی شود.

تشخیص:

عموماً سیستم‌های شناسایی اسید نوکلئیک بسیار حساس‌تر از سیستم‌های شناسایی آنتی‌بادی هستند. PCR می‌تواند تعداد 10 میکروارگانیــسم یا کمتر را در مدت زمان کوتاهی شناسایی کند، با این حال PCR نیاز به یک نمونه عاری از آلودگی دارد و می‌تواند توکسین‌های پروتئینی و سایر مواد غیر نوکلئیکی مثل پریون‌ها را شناسایی نماید. علاوه بر این نمی‌توان ارگانیسم را بعد از PCR جهت ذخیره و یا انجام تست‌های بیشتر کشت داد. در تشخیص عوامل بیولوژیک، اختصاصی بودن به اندازه حساسیت مهم است. اختصاصیت بالا موجب کاهش نتایج مثبت کاذب خصوصاً در مورد نمونه‌های پیچیده و مخلوط مانند مخلوط مواد آلی و غیرآلی می‌شود. اختصاصیت نه تنها تحت تأثیر مواد و ذرات خاک قرار می‌گیرد، بلکه تحت تأثیر غلظت‌های بالای آنتی‌ژن‌ها و DNA نیز قرار می‌گیرد. در مورد PCR باید گفت که حساسیت زیاد یک ضعف مهم به حساب می‌آید زیرا  DNAآلوده و غیر اختصاصی می‌تواند تکثیر یافته و منجر به ایجاد نتایج مثبت کاذب شود.

ظهور نانوفناوری و توانمند سازی روش‌های متداول:

تعاریف بسیاری در مورد نانوفناوری وجود دارد که مهم‌تـــرین آن تعریف سازمان پیشگامی نانوفناوری NNI است. سطح اتم و مولکول‌ها در اندازه‌هایی حدود 100-1 نانومتر به منظور دستیابی به درک اساسی از پدیده‌ها و مواد در سطح نانو و ساخت و استفاده از ساختارها و وسایل و سیستم‌های دارای ویژگی‌ها و عملکرد جدید به دلیل داشتن اندازه‌های کوچک می‌باشد.

نانو حسگرهای زیستی:

تشخیص عوامل بمب‌های شیمیایی و تروریسم زیستی از اساسی‌ترین فعالیت‌ها در عرصه پدافند جنگ‌های نوین می‌باشد.

ویژگی‌های حائز اهمیت یک نانو حسگر زیستی:

• سیگنال خروجی باید متناسب با نوع و میزان عوامل مورد سنجش باشد.
• نسبت به اهداف بسیار اختصاصی عمل کند.
• قدرت تفکیک و گزینش پذیری بالایی داشته باشد.
• تکرار پذیری وسعت بالایی داشته باشد.
• سرعت پاسخ دهی بالایی داشته باشد.
• عدم پاسخ دهی به پارازیت‌های محیطی مثل دما، PH و سیگنال‌های الکتریکی.

بحث و نتیجه گیری:

همگام با پیشرفت علوم و فناوری‌های کاربردی که به ارتقای سطح زندگی مردم جهان می‌انجامد، سوء استفاده از آنها برای افراد و دولت‌های متخاصم در پیشبرد اهداف غیر انسانی‌شان وجود دارد که یکی از آنها بیوتروریسم است. شاید پر بیراه نباشد که از بیوتروریسم به عنوان مرگ خاموش یاد کنیم؛ مرگی که انسان‌های بی‌گناه را بی‌آنکه بدانند به آغوش خود می‌کشد. از این روست که تشخیص زود هنگام عوامل بیوتروریسم برای دولت‌های صلح طلب در حفظ جان مردمان امری خطیر است.

:References

1. Atlas RM. Bioterriorism: from threat to reality. Annu Rev Microbiol. 2002;56:167-85.
2. Klietmann WF, Ruoff KL. Bioterrorism: implications for the clinical microbiologist. Clin

Microbiol Rev. 2001;14(2):364-81.

3. Tucker JB. Historical trends related to bioterrorism: An empirical analysis. Emerg Infect Dis.

1999 ;5(4):498-504.

4. Ibekwe AM, Grieve CM. Detection and quantification of Escherichia coli O157:H7 in

environmental samples by real-time PCR. J Appl Microbiol. 2003;94(3):421-31.

5. Bell CA, Uhl JR, Hadfield TL, David JC, Meyer RF, Smith TF, Cockerill FR 3rd. Detection of

Bacillus anthracis DNA by LightCycler PCR. J Clin Microbiol. 2002 ;40(8):2897-902.

6. Fode-Vaughan KA, Maki JS, Benson JA, Collins ML. Direct PCR detection of Escherichia coli

O157:H7. Lett Appl Microbiol. 2003;37(3):239-43

7. Khan AS, Ashford DA. Ready or not–preparedness for bioterrorism. N Engl J Med. 2001

26;345(4):287-9

8. Snyder JW, Check W. Bioterrorism threats to our future: the role of the clinical microbiology

laboratory in detection, identification, and confirmation of biological agents. Washington, DC:

American Academy of Microbiology and College of Microbiology, American Society for

Microbiology; 2001.

9. García ME, Blanco JL, Caballero J, Gargallo-Viola D. Anticoagulants interfere with PCR used

to diagnose invasive aspergillosis. J Clin Microbiol. 2002 ;40(4):1567-8

10. Morata P, Queipo-Ortuño MI, de Dios Colmenero J. Strategy for optimizing DNA

amplification in a peripheral blood PCR assay used for diagnosis of human brucellosis. J Clin

Microbiol. 1998;36(9):2443-6

11. Staggers N, McCasky T, Brazelton N, Kennedy R. Nanotechnology: The coming revolution

and its implications for consumers, clinicians, and informatics.Nursing Outlook 2008; 56(

5):268-274.

12. Salerno M, Landoni P, Verganti R. Designing foresight studies for Nanoscience and

Nanotechnology (NST) future developments.Technological Forecasting and Social Change

2008; 75(8):1202-1223.

13. Freitas RA Jr. What is nanomedicine? Nanomedicine. 2005 Mar;1(1):2-9.
14. Freitas RA Jr. Nanotechnology, nanomedicine and nanosurgery. Int J Surg. 2005;3(4):243-6.
15. Nicholas D. Basic nanomedicine system methodology and emerging novel nanotechnology

promising health care advancements not otherwise possible ; Nanomedicine: Nanotechnology,

Biology and Medicine. 2006 ; 2(4) : 302.

16. Sahoo SK, Parveen S, Panda JJ. The present and future of nanotechnology in human health

care. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine 2007;3(1):20-31.

17. Haes, A.J., and R.P. Van Duyne. Nanosensors enable portable detectors for environmental and

medical applications. Laser Focus World 2003;39:153–156

18. Haes AJ, Van Duyne RP. A highly sensitive and selective surface-enhanced nanobiosensor.

Mat Res Soc Symp Proc 2002;723:O3.1.1-O3.1.6.

19. Clark HA, Hoyer M, Philbert MA, Kopelman R. Optical nanosensors for chemical analysis

inside single living cells. 1. Fabrication, characterization, and methods for intracellular delivery

of PEBBLE sensors. Anal Chem. 1999 1;71(21):4831-6.

20. Vo-Dinh, T, Griffin, G.D., Alarie, J.P., Cullum, B., Sumpter, B., and Noid, D., Development of

nanosensors and bioprobes. J. Nanopart. Res.2000 ; 2; 17.

21. Vo-Dinh T, Cullum BM, Stokes DL. Nanosensors and biochips: frontiers in biomolecular

diagnostics. Sens Actuators B Chem 2001; 74:2– 11

22. Cui Y, Wei Q, Park H, Lieber CM. Nanowire nanosensors for highly sensitive and selective

detection of biological and chemical species. Science. 2001 ;17;293(5533):1289-92.

23. Vo-Dinh T.Optical nanosensors for detecting proteins and biomarkers in individual living cells.

Methods Mol Biol. 2005;300:383-401.

24. Perez JM, Josephson L, Weissleder R. Use of magnetic nanoparticles as nanosensors to probe

for molecular interactions. Chembiochem. 2004 ;5;5(3):261-4.

25. Vo-Dinh T. Nanobiosensors: probing the sanctuary of individual living cells. J Cell Biochem

Suppl. 2002;39:154-61.

تشخیص سریع عوامل میکروبی با بیوسنسورها

بیوتروریسم

 

برای دانلود پی دی اف بر روی لینک زیر کلیک کنید