بیوچیپ

نانوبیوسنسورها: آینده‌ای برای تشخیص بیماری‌ها (3)

دکتر رضا میرنژاد ( دانشیار دانشگاه) – وهاب پیرانفر (کارشناس ارشد)

 

استفاده از نانوبیوتکنولوژی در ساخت بیوچیپ

در زیست‌شناسی مولکولی، زیست تراشه‌ها یا بیوچیپ ها (Biochip) اساسا آزمایشگاه‌های کوچک هستند که می‌توانند صدها واکنش بیوشیمیایی همزمان را تجزیه و تحلیل کنند و محققان را قادر می‌سازند تا به سرعت روی صفحه نمایش تعداد زیادی از آنالیتها بیولوژیکی برای تنوع از اهداف را بررسی نمایند. فناوری نانو، بر روی یک تراشه (چیپ) الگو و ایده‌ایست که برای طراحی چیپ تشخیصی بیماری‌ها مورد توجه قرار گرفته است. توانایی تجزیه و تحلیل اطلاعات شیمیایی و بیولوژیکی با سرعت بالا و قیمت ارزانتر نسبت به تشخیص‌های مولکولی از مزیت‌های ساخت بیوچیپ هاست. برخی از دستگاه‌هایی که از ترکیب بیوچیپ‌ ها و میکرواری بدست آمده‌اند می‌توانند پروتئین‌ها را شناسایی کنند. این دستگاه‌ها را می‌توان به عنوان بررسی کننده و هشدار دهنده سطح پروتئین استفاده کرد (شکل1).

 

بیوچیپ

شکل 1: تصویری از یک بیوچیپ را نشان می‌دهد، جنس این تراشه سیلیکونی بوده و معروف به  VeriChip™ می‌باشد. این تراشه زیستی با استفاده از امواج رادیویی اطلاعات را منتقل می‌کند

فن‌آوری بیوچیپ های بیولوژیکی که بیش از ۲۰ سال پیش در موسسه زیست‌شناسی مولکولی به نام ا.اِنگلگاردت (ИМБРАН)  بوجود آمده بود، مدت طولانی تنها در سطح آزمایش و بررسی قرار داشت، اما دانشمندان در حال حاضر، آماده‌ی راه‌اندازی این محصول در مجموعه‌های واقعی و کارامد هستند.

انجام مطالعات بالینی با استفاده از زیست تراشه‌ها، به طور قابل ملاحظه‌ای  با تجزیه و تحلیل و بررسی متعارف و معمولی متفاوت هستند. این بیوچیپ ها از نظر سرعت بهره‌وری بسیار بهینه می‌شوند. امروزه برای تشخیص برخی بیماری‌ها بوسیله‌ی فن‌آوری‌های سابق نیاز به بیش از یک روز، و گاهاً خیلی بیش‌تر از این‌ها وقت لازم است. به عنوان مثال، برای شناسایی عامل موثر سل و اشکال مقاوم در برابر داروی آن، از هشت تا ده هفته به زمان نیاز است. در تمام این مدت بیمار در بیمارستان در حالت ثابت می‌باشد و مجموعه‌ای استاندارد از داروها را دریافت می‌کند که برای بیمارانی که برای اولین بار در رابطه با شناسایی بیماری به بیمارستان مراجعه کرده‌اند، تنها در ۸۰ درصد از موارد عمل می‌کند.

این‌طور به نظر می‌رسد که باقی بیماران مبتلا به بیماری، که در برابر این داروها مقاوم بودند، تحت درمان نامناسبی قرار گرفته، و علاوه بر این، ناقل فعال سل نیز می‌باشند. چنین شکست درمانی هزینه‌ی قابل توجهی را برای کشور به دنبال دارد، اما زیست تراشه‌های ساخته شده توسط دانشمندان روسی، تجزیه و تحلیل وضعیت سلامت بیمار را حداکثر طی یک شبانه روز مقدور می‌سازند، و این صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه‌های درمانی است. طبق محاسبات انجام شده توسط دانشگاه فدرال دولتی “موسسه ی مرکزی علمی-تحقیقاتی سازماندهی بهداشت عمومی”، بهره‌گیری از فن‌آوری بیوچیپ ها برای تشخیص سل و تعیین حساسیت دارویی عامل برانگیزنده، باعث صرفه‌جویی می‌شود. مدیرگروه بیوچیپ های پروتئینی، پروفسور شیمی، خانم آلّا روبینا، بر این باور است، که “فقط با یک بار تجزیه و تحلیل بوسیله‌ی زیست تراشه‌ها، می‌توان از وجود هشت نمونه از معمول‌ترین سرطان‌ها، اطلاع کسب کرد”.

به عنوان مثال، با احتمال تا ۹۰ درصد می‌توان وجود سرطان سینه را در خانم‌ها تعیین کرد. شناسایی این نشانگرها، با استفاده از روش‌های معمول و استاندارد امروزی حدود ۷ هزار روبل هزینه دارد. در حالی که همین آزمایش با کمک میکروچیپ حدود هزار روبل هزینه خواهد داست و این در حالی است، که این آزمایش، گران‌ترین محسوب می‌شود. به عنوان مثال، هزینه‌ی آزمایش سل حدود دو برابر ارزانتر می‌باشد. لازم به ذکر است که قیمت بیوچیپ‌های ساخت غرب از ۲۰۰ دلار شروع می‌شود. میکرو زیست‌شناس‌ها بر این باور هستند که فن‌آوری ساخت این چیپ‌ها، امروز، ایجاد یک ماتریس برای شناسایی طیف وسیعی از بیماری‌ها را مقدور می‌سازد.

این ماتریس شامل ۱۳ نوع سرطان خون، بیماری ایدز، تبخال، آبله مرغان، هپاتیت B و ۳۶ زیر گروه هپاتیت سی، ۳۰ زیر گروه از ویروس آنفلوانزا از جمله ویروس H5N1 مرغی و خوکی H1N1 می‌باشد. در همه این موارد، آنالیز طولانی نبوده، و نتایج آزمایشات ظرف چند ساعت در دسترس خواهد بود. چنین بازدهی مخصوصاً در مواقع همه‌گیری بیماری (اپیدمی) بسیار مهم و حیاتی می‌باشد. میکرو زیست‌شناس‌ها با کمک متخصصان پزشکی، قادر خواهند بود تا به سرعت خطر ناشی از ویروس خاص بیماری‌های عفونی را ارزیابی کرده، و به تعیین میزان شیوع آن بپردازند.

سرگروه تیم آنالیز باکتری‌های پاتوژن و ویروس‌ها، پروفسور زیست‌شناس، آقای دمیتری گریادونوف، در این باره می‌گوید:”برای مثال، آنفلوانزای H1N1، که همه را به خاطر آن وحشت زده کردند، آنقدرها هم خطرناک نبود، چرا که پوشش پروتئینی آن آسیب پذیر می‌باشد، در حالی که شیوع آنفلوانزای مرغی بسیار خطرناک‌تر بود، ولی نمی‌توانست از فردی به فرد دیگر منتقل شود، امری که موجب نجات از این بیماری همه‌گیر وحشتناک شد”.

از دیگر دست‌آورد‌های فناوری نانو و زیست‌تراشه‌ها، Nanofluidic است. این فناوری می‌تواند مولکول‌های زیستی فردی را در ارتباط با مسائل تشخیصی مورد تجزیه و تحلیل قرار دهد. این مولکول‌های زیستی شامل DNA و پروتئین هستند که حتی بیماری‌های مزمن را نیز شناسایی می‌کنند. از فناوری Nanofluidic انتظار می‌رود که بزودی برنامه‌های کاربردی گسترده‌ای را در سیستم‌های زیست‌شناسی، پزشکی، و تشخیص پاتوژن‌ها و تشخیص مواد مخدر و تحقیقات بالینی انجام دهد (شکل 2).

همچنین تکنولوژی میکرواری (Protein microarrays) به طور گسترده‌ای در مورد عملکرد پروتئین‌ها استفاده نمی‌شود، چرا که در طراحی آزمون نقاط اتصال مشکلاتی دارد، اما این تکنولوژی را می‌توان با استفاده از تکنولوژی چاپ استخراج DNA که به Printing  complementary DNAs معروف است، بر روی اسلایدهای شیشه انجام داد. سپس ترجمه پروتئین با استفاده از عصاره رتیکولوسیت پستانداران تولید می‌شود. برچسب‌ها برای اپیتوپ‌های فضایی متصل به پروتئین در جای خود ثابت می‌شوند. این روش می‌تواند مشکلاتی مثل تمیز بودن پروتئین‌ها، مشکلات ثبات پروتئین‌ها در طول ذخیره‌سازی و میزان آنها را کاهش دهد.

بیوچیپ

شکل 2:  تصویر یک نانوبیوسنسور را نشان می‌دهد که در وسط یک نانوسیم قرار دارد.

   مسیر سال‌های آینده نانوبیوسنسورها در پزشکی از تشخیص تا درمان

در دهه‌های آینده دستگاه‌های تشخیصی بر اساس فناوری نانو ساخته خواهد شد. این دستگاه‌ها قادر به اندازه‌گیری و بررسی اطلاعات سلامت هزاران نفر با سرعت‌های بسیار بالا و هزینه بسیار ارزان خواهند بود. همچنین با ترکیب تکنولوژی زیست‌تراشه‌ها و فناوری نانو، به سیستم‌های فوق‌العاده کوچکی دست پیدا می‌کنیم که اندازه‌هایی نانویی خواهند داشت. نرم‌افزارهای تشخیص بالینی با قدرت تجزیه و تحلیل بسیار بالا طراحی خواهد شد که قادر به بررسی پروتئین‌های خون هستند. ارزیابی خون در گردش سیستمیک شاخص سلامت و یا بیماری اندام خواهد بود. تشخیص اثر انگشت مولکولی خون یکی از حساس‌ترین ارزیابی‌های سیستم بهداشت و درمان خواهد شد.

با پیشرفت و بوجود آمدن تکنولوژی الکترونیک مولکولی و سنسورهای شیمیایی در مقیاس نانو، ساخت سنسورهای میکروسکوپی در تولیدات صنعتی کامل شده و قادر به تشخیص الگوهای شیمیایی در سیال‌هایی مانند آب خواهیم بود. این دستگاه‌ها اطلاعات را از خون دریافت و در یک جریان منفعلانه خواص منابع شیمیایی آن را بررسی می‌کنند. این دستگاه‌ها بدون آسیب به بافت‌ها و یا آسیب‌های موضعی، به آنالیز دقیق بیماری‌های بافتی می‌پردازند. این دستگاه‌ها همچنین می‌توانند تمایز حتی یک سلول در اندازه حامل‌های شیمیایی را به صورت In vivo بررسی کنند.

روند جدیدی در ساخت دستگاه‌ها به صورت پایین به بالا ایجاد خواهد شد. این روند ساخت، به بررسی اساسی‌ترین بلوک‌ها و واحدهای ساختاری خودش می‌پردازد. تکنیک‌های برچسب زدن فلورسانس نیز پیشرفت کرده با ساخت نانوبرچسب‌های فلورسانسی در اندازه‌های نانو، قدرت تشخیص آنها و همینطور دقت آنها افزایش خواهد یافت. در واکنش‌های زنجیره‌ای نیز از فن‌آوری نانوبیوسنسورها در تشخیص پارامترهای غیرپلیمرازی استفاده می‌شود. همچنین در حد نهایت خود نانوبیوسنسورها به طور بالقوه برای تجزیه و تحلیل کامل یک تک سلولی و واحدهای ژنتیکی آن مورد استفاده وسیع قرار خواهند گرفت.

مسئله قابل توجهی که در ده‌های آینده به چشم خواهد آمد، کاهش زمان انتظار برای نتایج آزمون‌های متفاوت است. به عنوان مثال بیماران مبـــــتلا به بیماری های مسری می‌توانند نمونه ادرار خود را برای اولین بار که به کلینیک مراجعه می‌کنند ارائه داده و تا پایان ویزیت پزشک از نتیجه آن مطلع شوند. سرعت ارائه این نتایج باعث کاهش اضطراب، بهبود پذیرش و بهبود کیفیت کل و همینطور کاهش هزینه‌ها می‌شود.

در دهه آینده، حسگرهای زیستی مبتنی بر نانوبیوتکنولوژی خواهد شد، این حسگرها علاوه بر تشخیص در درمان و توسعه طب تشخیص نیز نقش‌های اساسی خواهند داشت. این تکنولوژی‌ها باعث ادغام روابط متقابل فن‌آوری‌های متعدد و ایجاد سیستم‌های مراقبتی و بهداشت کارآمدتر خواهد شد.

بخشی دیگر از برنامه‌های نانوبیوسنسورها در دهه آینده، تشخیص زودهنگام سرطان و تهیه پروفایل ژنتیکی است. تکنولوژی آینده افراد را قادر خواهد ساخت که سرطان را در مراحل بسیار ابتدایی که حتی امروزه قادر به شناسایی سرطان در آن مراحل نیستیم نیز، شناسایی کنند. امروزه این نانوابزارها در مرحله امکان‌سنجی هستند. این ابزارها می‌توانند در هر دو زمینه درمان و تشخیص سرطان استفاده شوند. دقت این ابزار تشخیصی به تشخیص پیش از تظاهرات بالینی است. همچنین این دستگاه‌ها قادر به پایش استانداردهای سلامتی خواهند بود.

در انتهای بحث، فناوری نانو باعث گسترش حیطه‌های علم پزشکی و کاهش محدودیت‌های تشخیص مولکولی خواهد شد. این فناوری فعال، با ادغام مسائل تشخیص و درمان و توسعه پزشکی و خصوصا پزشکی شخصی، کاربردهای بالینی بسیاری را ایجاد کرده است. این تکنولوژی‌ها امروزه در زمینه‌های نشانگرها، تشخیص سرطان، تشخیص بیماری‌های عفونی، تشخیص عفونت و میکروارگانیسم‌ها به صورت تحقیقاتی دنبال می‌شوند، اما بزودی جای خود را در آزمایشهای واقعی به طور بالقوه و موثر باز خواهند نمود. این فناوری قادر خواهد بود با دریافت یک نمونه بر روی سطح خود، سنجش و نظارت، و خصوصیات کامل نمونه را تجزیه تحلیل و اطلاعات کافی را در اختیار فرد قرار دهد.

https://medlabnews.ir/تشخیص-سریع-میکروبی-بیوسنسورها

https://whatis.techtarget.com/definition/biochip

 

برای دانلود پی دی اف بر روی لینک زیر کلیک کنید

پاسخی قرار دهید

ایمیل شما هنوز ثبت نشده است.