فناوری میکروسیالی، آزمایشگاه روی تراشه

مروری بر

فناوری میکروسیالی، آزمایشگاه روی تراشه

غلامرضا هدایتی، کارشناس نظارت و ارزیابی آزمایشگاه اداره امور آزمایشگاه‌های معاونت درمان دانشگاه مشهد

فناوری میکروسیالی برای محققان آزمایشگاه، رؤیایی با مزایای فراوان بود؛ این فناوری از ویژگی‌های سیالات بهره‌گیری نموده است. چند ﻋﺎﻣﻞ منشأ ﭘﯿﺪاﯾﺶ ﻓﻨﺎوری ﻣﯿﮑﺮوﺳﯿﺎﻟﯽ شدند ﮐﻪ در ایجاد و ﭘﯿﺸﺮﻓﺖ اﯾﻦ ﻓﻨﺎوری نقش داشته‌اند.

آﻧﺎﻟﯿﺰ ﺷﯿﻤﯿﺎﯾﯽ ﮐﺮوﻣﺎﺗﻮﮔﺮاﻓﯽ ﻣﺎﯾﻊ ﺑﺎ ﻓﺸﺎر ﺑﺎﻻ HPLC ، قدیمی‌ترین ﻋﺎﻣﻞ در ﭘﯿﺪاﯾﺶ روش‌های ﻣﯿﮑﺮوآﻧﺎﻟﯿﺰ است. موفقیت این فن‌آوری در بررسی داده‌های ژنومیک و ایجاد روش‌های تازه، دومین محرک جهت استفاده از روش‌های میکروسیالی است و البته حاصل تغییراتی در علم شیمی و زیست‌شناسی مولکولی است.

ﻓﻨﺎوری ﻣﯿﮑﺮوﺳﯿﺎﻟﯽ راه‌حل ﺑﺴﯿﺎر ﻣﻨﺎﺳﺒﯽ ﺑﺮای ﻏﻠﺒﻪ ﺑﺮ ﻣﺸﮑﻼت ﺑﻮد. ﺳﻮمین سهم نیز ﻣﺮﺑﻮط ﺑﻪ ﺻﻨﺎﯾﻊ ﻣﯿﮑﺮواﻟﮑﺘﺮوﻧﯿﮏ اﺳﺖ. اوﻟﯿﻦ امیدواری‌ها برای ﺳﺎﺧﺖ تراشه‌های ﻣﯿﮑﺮوﺳﯿﺎﻟﯽ و فناوری‌های ﻣﺮﺗﺒﻂ ﺑﺎ آن ﺑﻮد ﮐﻪ در ﺳﺎﺧﺖ تراشه‌های ﻣﯿﮑﺮواﻟﮑﺘﺮوﻧﯿﮏ ﺑﻪ‌ﮐﺎر ﮔﺮﻓﺘﻪ ﺷﺪه ﺑﻮدند. اﯾﻦ فناوری‌ها ﺑﻪﺻﻮرت ﻣﺴﺘﻘﯿﻢ در ﻣﯿﮑﺮوﺳﯿﺎلﻫﺎ ﻗﺎﺑﻞ اﺳﺘﻔﺎده ﻫﺴﺘﻨﺪ. میکروفلوئیدیک در ابتدای سال ۱۹۸۰ پدید آمد و در فناوری آزمایشگاه روی تراشه (lab-on-chip) استفاده شد.

با توجه به اهمیت و کارایی بالای این فناوری در زمینه‌های مختلف، محققین در نظر دارند با توجه به ظرفیت‌های موجود، با تلاش در این زمینه و سرمایه‌گذاری مناسب بتوانند علاوه بر تسریع آنالیز و تشخیص، امکان اشتغال‌زایی در این زمینه را نیز فراهم سازند. فناوری میکروفلوئیدیک، فناوری‌ نوینی است که با استفاده از خصوصیات مایعات در حجم‌های کم (میکرو و نانولیتر) و انجام همزمان تعداد زیادی واکنش زیستی به‌کار گرفته می‌شود. افزایش دقت و سرعت آنالیز در این سیستم‌ها برای تشخیص‌های اولیه (جداسازی و تشخیص با حساسیت و قدرت تفکیک بالا صورت می‌پذیرد) و همچنین کاهش هزینه‌ها از فواید آن خواهد بود. داشتن این ویژگی‌ها امروزه توانسته این فناوری را به دانش محبوبی با کاربردهای گسترده در بیشتر زمینه‌ها از جمله بیولوژی تبدیل کند.

تراشه‌های میکروفلوئیدیک را معمولاً بر اساس اهداف مورد مطالعه طراحی کرده و می‌سازند. از ویژگی‌های کاربردی این دانش، قدرت انعطاف‌پذیری بالای آن برای ساختارهای جدید است. در زمینه میکروفلوئیدیک، مواردی که بیشتر در این زمینه مطرح می‌شود، آزمایشگاه بر روی تراشه یا چیپ است که دارای کاربردهای فراوان در زمینه‌های مختلف است. آزمایشگاه بر روی تراشه به‌ اصطلاح عبارت است از کوچک کردن آزمایشگاه به ‌اندازه یک چیپ با ابعادی در حدود چند سانتی‌متر؛ درواقع به ما می‌گوید که مراحل انجام یک آزمایش از آماده‌سازی نمونه تا تجزیه‌ و تحلیل داده بر روی یک سطح بسیار کوچک در حد چند سانتی‌متر یا کوچک‌تر انجام می‌گیرد. به‌طور کلی می‌توان امید داشت که به کمک آزمایشگاه روی چیپ (Lab On Chip) بتوان در اکثر مناطق با تشخیص سریع، جان افراد زیادی را از مرگ نجات داد. این فناوری دارای قابلیت‌های فراوانی در زمینه بیولوژی سلولی، مولکولی و در آنالیز، توالی‌یابی DNA/RNA و کنترل سلول‌ها تا حد یک تک ‌سلول کاربرد دارد.

این دانش در زمینه‌های دیگری از جمله جداسازی سلول‌ و مطالعه ذرات در مقیاس کوچک‌ برای آنالیز پارامترهای شیمیایی در سیال مناسب است و کاربرد دارد، همچنین در آزمایش‌های HPLC به ‌منظور جداسازی در بررسی مولکول‌های اسیدهای آمینه و عناصر کمیاب نیز کاربرد خواهد داشت. این تراشه می‌تواند در تحقیقات واکنش‌های زیستی و تعاملات بین سلول‌های اندام‌های مختلف و همچنین در آزمایشگاه‌های بالینی با کاهش زمان تشخیص،   درمان را سرعت ببخشد.

از کاربردهای دیگر این تکنیک که مانند سیستم مویرگی به‌کار می‌رود؛ مقایسه سیستم غربالگری در نمونه مورد آزمایش برای جست‌وجوی یک ماده یا آنالیت است. به‌طور معمول این غربالگری توسط میکروصفحه‌هایی که شامل ۱۰ دیواره است انجام می‌گردد که برای فرایند غربالگری ۱۰5 نمونه، ۴ ماه طول می‌کشد و نیاز به حدود ۱۰ لیتر ماده معرف دارد. مدت زمان غربالگری ۱۰5 نمونه با استفاده از سیستم میکروفلوئید، به یک هفته کاهش می‌یابد و مقدار معرف نیز ۱۰۰ برابر کوچک‌تر می‌شود. بدین ترتیب شاهد این نکته خواهید بود که با استفاده از میکروفلوئید زمان و مقدار معرف مصرفی به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌یابد. با استفاده از این سیستم، زمان غربالگری برای هر نمونه نیز به ۲۰ دقیقه کاهش می‌یابد.

فناوری میکروسیالی

فناوری میکروسیالی

همچنین تراشه‌های میکروسیالی جهت کشت سلولی که برای تولید پروتئین‌های نوترکیب درمانی موردنیاز هستند، بسیار مفید است، چرا که اجازه می‌دهند تا سلول‌ها تحت شرایط کاملاً کنترل‌شده رشد کنند. برای درک شرایط مطلوب رشد سلول‌ها جهت بیان پروتئین نوترکیب در این دستگاه‌ها، سلول‌هایی تحت شرایط مختلف میکروسیالی آزمایشگاهی کشت شدند. این سلول‌ها در دستگاه‌های پلی‌متیل متاکریلات و پلیدیدیل سیلوکسان در غیاب یا حضور عامل چسبندگی سلولی پلی- دی- لیزین کشت داده شدند. نتایج نشان داد که حضور عامل چسبندگی باعث افزایش چسبندگی و پایداری سلول‌ها در جریان پیوسته یا متناوب می‌شود. این مطالعات نشان‌دهنده یک سیستم بهینه از میکروکانال‌ها برای کشت طولانی‌مدت سلول‌ها به‌عنوان بیوراکتور و برای تولید پادتن‌های منوکلونال است. بدین منظور از دستگاه‌های میکروسیال استفاده گردید.

جهت تشخیص زودهنگام سرطان با آزمایش ساده ادرار، آنالیز میکرو RNA وزیکول‌های خارج سلولی موجود در ادرار روش بسیار ساده و غیرتهاجمی است که جهت تشخیص بیماری‌های مرتبط در مراحل اولیه بکار می‌رود.

محدودیت اساسی این روش جمع‌آوری غلظت‌های موردنیاز از وزیکول‌های موجود در ادرار است. در این تحقیق که به همت پژوهشگران دانشگاه نگویا در ژاپن انجام شد، برای رفع این مشکل از نانوسیم‌های متصل‌شده به بستر میکروفلوئیدی استفاده گردید. کارایی این روش نسبت به روش متداول، یعنی استفاده از اولتراسانتریفیوژ بسیار بیشتر است. به کمک این روش، نه ‌فقط میکروRNAهایی که بیومارکر سرطان‌های دستگاه ادراری نظیر پروستات و مثانه هستند قابل شناسایی‌اند، بلکه بیومارکرهای سرطان‌های سایر نقاط بدن نظیر ریه، پانکراس و کبد نیز قابل تشخیص هستند. نتایج این تحقیق نیز گام بزرگی برای تحقق آرزوی تشخیص زودهنگام سرطان‌ها به کمک چکاپ رایج آزمایش‌های پزشکی ادرار توسط فناوری میکروسیالی بوجود خواهد بود.

از مزیت‌های کاربرد تراشه‌ها در آزمایشگاه‌های پزشکی با کنترل شرایط واکنش‌ها، افزایش سرعت و دقت در تشخیص بیماری‌های حاد و مزمن است که ضمن کاهش حجم نمونه و ابعاد تجهیزات، موجب کاهش هزینه‌ها نیز می‌گردد.

در شرایط کنونی پژوهشگران تلاش می‌کنند تا با تهیه و تولید یک کیت ویژه، زمان نتایج تشخیص عفونت ویروس کرونا را کاهش دهند. ویروس کووید-19 جدیدترین بیماری نوپدید در سطح جهان بوده که نگرانی‌های زیادی برای مردم ایجاد کرده و اعلام زودهنگام نتایج آزمایش می‌تواند بسیار مؤثر باشد؛ کیتی با ابعاد کوچک که بتواند ضمن تشخیص دقیق، به‌راحتی مورد استفاده قرار گیرد.

به امید سلامتی و پیشرفت‌های روزافزون جامعه آزمایشگاهیان

مرجع:

– بازیار الهام، قرایلو داود، روند پیشرفت فناوری آزمایشگاه روی تراشه، ماهنامه فناوری نانو، شهریور 95

– Microfluidic Cell Culture Systems and Applictions Edited by Christopher Bettinger,Jeffrey T Borenstein, and Sarah LTao / 2015

– Yehya H.Ghallab, Wael Badawy Lab-on-a-chip:Techniques, Circuits, and Biomedical Applications / 2017

نانوبیوسنسورها: آینده‌ای برای تشخیص بیماری‌ها

فناوری ریزآرایه DNA

برای دانلود فایل pdf  بر روی لینک زیر کلیک کنید

پاسخی قرار دهید

ایمیل شما هنوز ثبت نشده است.