‫تقنيات األمن الحيوي في مكافحة اإلرهاب البيولوجي‬
‫الدورة املخبرية‬
‫التقنيات و األساليب الحديثة في مكافحة اإلرهاب‬
‫د‪ .‬أحمد محمد قصاب‬
‫قسم األحياء الجنائية‬
‫جامعة نايف العربية للعلوم األمنية‬
‫األسلحة املستخدمة في الجرائم اإلرهابية‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫األسلحة التقليدية‬
‫األسلحة البيولوجية‬
‫األسلحة الكيميائية‬
‫األسلحة النووية‬
‫اإللكترونية‬
‫خصائص السالح البيولوجي‬
• Inexpensive
• Available
• Easily transported/concealed and
dispersed
• Incubation period “Hides Tracks” of
perpetrator
• Modifiable (resistance, virulence)
‫تعريف األسلحة البيولوجية‬
‫جميع العضيات املجهرية مثل البكتريا و الفيروسات و وحيدات‬
‫الخلية‪ ،‬أو أو احد املكونات الطبيعية أو املصنعة أو املعدلة‬
‫وراثيا لهذه العضيات و التي لها القدرة على إحداث املوت أو‬
‫املرض عند تعرض اإلنسان أو الحيوان أو النبات لها‪.‬‬
‫‪In short: an infectious substance that has the potential‬‬
‫‪to cause disease in other living organisms‬‬
‫تصنيف المخاطر البيولوجية‬
Classification of Biohazards



Microorganisms
‫الكائنات الدقيقة‬
–
–

Examples: viruses, bacteria,
fungi, protozoa, algae
Reactions: infection, exposure,
allergic reactions
–
–

–
Examples: crustaceans,
arachnids, insects
Reactions: skin inflammation,
allergic reactions, systemic
intoxication, transmission of
infectious agents
–

Examples: from higher plants
Reactions: Dermatitis, rhinitis,
asthma
Protein Allergens
‫بروتينات الحساسية‬
–
Arthropods ‫المفصليات‬
–
Allergens ‫مسببات الحساسية‬
Examples: vertebrate animals
(urine, feces, hair, saliva,
dander)
Reactions: allergic reactions
Parasites ‫الطفيليات‬
–
–
Examples: ticks, hookworms,
pinworms
Reactions: skin reaction,
inflammatory response, allergic
reaction
‫أهم العوامل البيولوجية المسببة لإلمراض‬
‫‪Some common biological agents‬‬
‫البكتيريا ‪Bacteria‬‬
‫الفيروسات ‪Viruses‬‬
‫الفطريات ‪Fungi‬‬
‫الطفيليات ‪Parasites‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫أهم األمراض الناتجة عن األسلحة البيولوجية‬
‫‪ ‬السل )‪Tuberculosis (TB‬‬
‫‪ ‬األيدز )‪(AIDS‬‬
‫‪ ‬الجمرة الخبيثة ‪Anthrax‬‬
‫‪ ‬التهاب الكبد الوبائي ‪Hepatitis‬‬
‫‪ ‬التهابات جهاز الهضم‪Acute gastrointestinal illness‬‬
‫الفطريات‬
‫‪FUNGI‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫متعدة األنواع مقارنة مع العضيات البيولوجية األخرى‬
‫تسبب حساسية في حالة استنشاقها‬
‫تسبب العديد من األمراض (قدم الرياضي)‬
‫السل‬
‫)‪Tuberculosis (TB‬‬
‫‪ ‬مرض يسببه بكتيريا السل‬
‫‪ ‬خطر‬
‫‪ ‬ينتقل عن طريق الهواء الملوث‬
‫‪ ‬األعراض ( وهن شديد‪ ،‬سعال ‪،‬‬
‫بصاق ممزوج بالدم بسبب تقرحات‬
‫في القناة الهضمية‬
‫األيدز‬
‫‪Acquired Immune Deficiency‬‬
‫)‪Syndrome (AIDS‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫مرض نقص المناعة المكتسبة‬
‫يسببه فيروس يسمى ‪HIV‬‬
‫ينتقل عن طريق االتصال الجنسي أو الدم‬
‫األعراض(وهن شديد‪ ،‬حمى‪ ،‬تعرق ليلي‪ ،‬فقدان الوزن)‬
‫الجمرة الخبيثة‬
‫‪Anthrax‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫تسببها نوع خاص من البكتيريا‬
‫العصوية ذات القدرة على التحوصل‬
‫توجد في المنتجات الحيوانية المستوردة‬
‫توجد ثالث انواع منها‬
‫‪Cutaneous anthrax‬‬
‫‪Inhalational anthrax‬‬
‫‪Gastrointestinal anthrax‬‬
‫–‬
‫–‬
‫–‬
‫‪Cutaneous Anthrax‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫اكثر األنواع إنتشارا‬
‫مدة الحضانة من ‪ 12 -1‬يوما‬
‫اهم األعراض ‪ :‬إضافة إلى‬
‫ارتفاع في حرارة الجسم و‬
‫الصداع ‪ ،‬تحدث تقيحات جلدية‬
‫( انظر الصورة)‬
‫التعرف على الميكروبات‬
Microbe Identification
• Phenotypic methods ‫المظهر أو الصفات الشكلية‬
- Direct microscopic examination
- Biochemical tests
- Bacteriophage typing,
- Flow cytometry.
• Immunological methods: ‫الطرق المناعية‬
- Precipitation
- Agglutination reactions
- Fluorescent antibodies
- ELISA
- immune blot/western blot.
• Genotypic methods: ‫الحمض النووي‬
.
13
Sandwich ELISA
Phenotypic Methods of Identification
• Microbiologists use 5 basic techniques to grow,
examine and characterize microorganisms in
the lab.
• They are called the 5 ‘I’s: inoculation,
incubation, isolation, inspection and
identification.
• Inoculation: to culture microorganisms a tiny
sample (inoculum) is introduced into medium
(inoculation).
• Isolation involves the separating one species
from another.
17
Phenotypic methods of Identification
• Incubation: once the media is inoculated it
is incubated which means putting the culture
in a controlled environment (incubation) to
allow for multiplication.
• After incubation the organisms are
inspected and identified phenotypically,
immunologically or genetically.
18
Specimen collection
isolation
5 “I” s
inoculation
inspection
identification
incubation
19
Direct Microscopic Examination
• Direct microscopic examination of a stained
specimen is often the most rapid method for the
identification of characteristics.
• Stains include Gram, acid fast, direct
fluorescent antibody test (DFA).
• DFA can be used to highlight the presences of
microorganisms in a specimen.
• DFA test are available for Staphylococcus
aureus, Streptococcus pyogenes, Neisseria
gonorhoeae and Haemophilus influenza.
20
Direct Examination
Micrococcus luteus
E. coli (white), Micrococcus luteus
(yellow), Serratia marcescens (red)
Serratia marcescens
21
Biochemical Tests
• The microbe is cultured in a media with a special
substrate and tested for an end product.
• Prominent biochemical tests include
carbohydrate fermentation, acid or gas
production and the hydrolysis of gelatin or
starch.
• Many of these test in rapid miniaturized system
that can detect for 23 characteristics in small cups
called Rapid test.
• The info from the rapid test are input into a
computer to help in identification of the organisms.
22
Carbohydrate
Fermentation
 . This medium show
fermentation (acid
production) and gas
formation.
 The small Durham tube
for collecting gas
bubbles.
 Left- right:
Uninoculated negative
control
Centre, positive for
acid (yellow) and gas
(open space).
Growth but no gas or
acid.
23
Methyl Red Test
• This is a qualitative
test for acid
production.
• The bacteria is grown
in MR-VP broth.
• After addition of
several drops of
methyl red solution
a bright red colour is
positive and yelloworange negative.
24
Nitrate Reduction ♫After 24-48 hrs of
incubation, nitrate
reagents are added.
♫Left to right:
♫Gas formation
(positive for nitrate
reduction).
♫positive for nitrate
reduction to nitrite (
red colour).
♫Negative control
25
Starch Hydrolysis
• After incubation on
starch agar, plates
are flooded with
iodine solution.
• Positive test indicated
by colourless area
around growth.
• Negative test
indicated below.
26
Catalase Test
• Place a drop of H2O2
on the culture.
• A positive reaction
show gas bubbles.
• Often used to
differentiate
Streptococcus
from
Staphylococcus.
27
Biochemical Tests
• Other biochemical tests of interest include:
H2S production
Indole test
Oxidase test
Oxidation fermentation
Phenylalanine deaminase test
Antibiotic susceptibility tests
• Principle, procedure, most common use.
28
Precipitation Reactions
29
Agglutination Reactions
30
Non Human DNA
‫الحمض النووي في الميكروبات‬
DNA MARKERS ‫السمات الوراثية في اإلنسان‬
• Variable Number Tandem Repeats (VNTR)
• Restriction Fragment Length Polymorphism
(RFLP)
• Short Tandem Repeat (STR)
• Single Nucleotide Polymorphism (SNP)
• DNA Sequence Data
Forensic DNA Analysis
‫ما الذي يتم تحليله في الحامض النووي ؟‬
Nuclear DNA:
mtDNA:
Length is measured
Sequence is examined
STR
Short Tandem Repeat
AGAT
AGAT
AGAT
AGAT
AGAT
AGAT
AGAT
AGAT
4
AGAT
AGAT
6
DNA Profile =4,6
TCTA
TCTA
TCTA
TCTA
TCTA
TCTA
TCTA
TCTA
TCTA
TCTA
DNA Profile =5,7
5
TCTA
TCTA
7
13 CODIS Loci
TPOX
D3S1358
D8S1179
D5S818
FGA
CSF1PO
TH01
VWA
D7S820
AMEL
D13S317
D16S539
D18S51
D21S11
AMEL
‫ما الذي يتم تحليله في الحامض النووي ؟‬
Nuclear DNA:
mtDNA:
Length is measured
Sequence is examined
Different colored peaks correspond to a different base
Non Human DNA
‫الحمض النووي في الحيوان و الميكروبات‬
‫السمات الوراثية الغير بشرية‬
• DNA Sequence Data
– Plants: rbcL, trnL, ITS
– Vertebrates: Cytochrome b
– Arthropods: 16S, Cytochrome Oxidase
– Fungi: ITS, 18S
– Bacteria: 16S
• GenBank DNA Sequence Database
– National Center for Biotechnology Information
(NCBI)
‫التعرف على الميكروبات‬
Microbe Identification
• Phenotypic methods ‫المظهر أو الصفات الشكلية‬
- Direct microscopic examination
- Biochemical tests
- Bacteriophage typing,
- Flow cytometry.
• Immunological methods: ‫الطرق المناعية‬
- Precipitation
- Agglutination reactions
- Fluorescent antibodies
- ELISA
- immune blot/western blot.
• Genotypic methods: ‫الحمض النووي‬
.
38
Genotypic methods
• Genotypic methods of microbe
identification include the use of :
Nucleic acid probes
PCR (RT-PCR, RAPD-PCR)
Nucleic acid sequence analysis
rRNA analysis
RFLP
Plasmid fingerprinting.
39
‫‪Nucleic acid probes‬‬
‫•‬
‫•‬
‫من الطرق الفعالة للتعرف على الميكروبات‬
‫يتم التعرف على الميكروب من خالل جزء محدد من‬
‫حمضه النووي بخلطه مع بروب متصل بمادة‬
‫)‪(radioactive, fluorescent, chemiluminescent‬‬
‫•‬
‫‪40‬‬
‫مخصص للتعرف على ذلك الميكروب‪.‬‬
‫متوفر في األسواق للتعرف على العديد من الميكروبات‬
‫‪Advantages of Nucleic Acid Probes‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫‪41‬‬
‫ثابتة في درجات الحرارة المرتفعة ‪ ،‬أو األس‬
‫الهيدروجيني‪ ،‬المذيبات العضوية و بالتالي يمكن‬
‫استخدامها في الظروف السيئة‬
‫يمكن استخدامها مع الميكروبات الميتة‬
‫اكثر خصوصية ‪ specific‬مقارنة بالطرق المناعية‬
‫تفاعل البلمرة المتسلسل‬
‫)‪Polymerase Chain Reaction (PCR‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫‪42‬‬
‫من الطرق األكثر استخداما للتعرف على الميكروبات‬
‫تستخدم بوادئ ‪ Sequence specific primers‬بتسلسالت‬
‫نيكلوتيدية معلومة و محددة لتكثير جزء محدد من الحمض النووي‬
‫للميكروب‬
‫النجاح في حدوث تفاعل البلمرة دليل على وجود ميكروب محدد‪/‬‬
‫حمض نووي‬
‫تعطي نتائج إيجابية حتى في حالة وجود عدد قليل من الخاليا‬
‫العديد من البوادئ متوفرة في األسواق للكشف‬
‫‪Real Time PCR‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫‪43‬‬
‫تعتمد على تفاعل البلمرة تستخدم ‪Real time PCR.‬‬
‫تعتمد هذه التقنية على بوادئ تتصف بالفلورة‬
‫‪Fluorescent primers‬‬
‫يعمل الجهاز على تحديد مدى استخدام البوادئ في‬
‫تفاعالت البلمرة و إظهار النتائج بصورة مباشرة من‬
‫خالل منحنى التكثير ‪Amplification plot‬‬
‫‪Reverse Transcriptase RT-PCR‬‬
‫• التسمية تعود إلى عملية التكثير العكسية التي تتم في‬
‫هذه التقنية‬
‫• يتم تصنيع الحمض النووي بدء من ‪ RNA‬باستخدام‬
‫أنزيم ‪Reverse transcriptase‬‬
‫• تستخدم للتعرف على الميكروبات التي تحوي ‪RNA‬‬
‫كمادة وراثية بدال من ‪DNA‬‬
‫• مثال على ذلك فيروس فقدان المناعة المكتسبة ‪HIV‬‬
‫‪44‬‬
RT-PCR
45
‫‪RAPD-PCR‬‬
‫• تعتمد على التكثير العشوائي للحمض النووي باستخدام بادئة‬
‫عادة ما تكون مكونة من عشر نيكلوتيدات بهدف التعرف على‬
‫حمض نووي معين‪.‬‬
‫• أهم مزايا التقنية‬
‫ ال تحتاج حمض نووي نقي‬‫ عدم الحاجة لوجود أي خلفية عن التسلسل النيكلوتيدي للحمض‬‫النووي‬
‫• عدم الحاجة إلى المزيد من العناصر البشرية‬
‫تحديد التسلسل النيكلوتيدي‬
‫‪DNA Sequencing‬‬
‫• تحديد التسلسل النيكلوتيدي لجزء محدد من ‪DNA‬‬
‫(‪)16S rRNA gene.‬‬
‫• تتم على مرحلتين األولى تشمل عملية تكثير الجين و‬
‫المرحلة الثانية تحديد التسلسل النيكلوتيدي ومن ثم‬
‫التعرف على الميكروب من خالل التسلسل الخاص به‬
‫‪• rRNA is a major component for ribosome and‬‬
‫‪ribosome have the same function in protein‬‬
‫‪synthesis in all cells.‬‬
‫‪47‬‬
Restriction Fragment Length
Polymorphism (RFLP)
•
•
•
•
RFLP involves digestion of the genomic
DNA of the organism with restriction
enzymes.
The restricted fragments are separated by
agarose gel electrophoresis.
The DNA fragments are transferred to a
membrane and probed with probes specific
for the desired organisms.
A DNA profile emerges which can be used
for microbe identification.
48
‫البالزميدات‬
‫‪Plasmids‬‬
‫عبارة عن وحدات وراثية صغيرة من الـ‬
‫‪ DNA‬حلقية الشكل توجد في السيتوبالزم‬
‫تتمتع بوجود مستقل وتتوارث بثبات‬
‫وعلى نحو مفصول تماما عن‬
‫الكروموسوم الرئيسي للخلية ذلك ان‬
‫تضاعف البالزميد يكون بالطريقة نفسها‬
‫التي يتضاعف بها الـ ‪DNA‬الجرثومي‬
‫الحتوائه على منشأ تضاعف مستقل‬
‫‪Origin of replication‬‬
‫البالزميدات‬
‫‪Plasmids‬‬
‫وجود البالزميدات غير ضروري لحياة المضيف لكنها اذا ما وجدت‬
‫فإنها تمنح المضيف صفات اضافية تمكنه من العيش تحت ظروف‬
‫استثنائية ‪ ،‬وهنالك عدة انواع من البالزميدات تختلف فيما بينها من حيث‬
‫الوظيفة التي تقوم بها ومنها‪:‬‬
‫‪ -1‬حمل المعلومات التي تشفر مقاومة المضادات الحيوية ومواد‬
‫كيمياوية اخرى‬
‫‪ -2‬المعلومات الخاصة بمجموعة افراز السموم‬
‫‪ -3‬حمل الجينات المسؤولة عن تثبيت النيتروجين‬
Plasmid fingerprinting
• Plasmid fingerprinting identifies microbial
•
species or similar strains as related strains
often contain the same number of plasmids
with the same molecular weight.
Plasmid of many strains and species of E.
coli, Salmonella, Camylobacter and
Psseudomonas has demonstrated that this
methods is more accurate than phenotypic
methods such as biotyping, antibiotic
resistance patterns , phage typing and
serotyping.
51
Plasmid fingerprinting
• The procedure involves:
1. The bacterial strains are
grown, the cells lysed and
harvested.
2. The plasmids are
separated by agarose gel
electrophoresis
3. The gels are stained with
EtBr and the plasmids
located and compared.
52
ALWAYS
WASH HANDS
BEFORE EATING
BEFORE GOING HOME