آزمایشگاهی درون بدن در ابعاد نانو

آزمایشگاهی درون بدن در ابعاد نانو

مقدمه

امروزه دانش پزشكی به یاری گسترش و پیشرفت فناوری های جدید، قادر به تشخیص و درمان بیماری های گوناگون بر پایه علوم الكترونیك، بیوشیمی ونیز فناوری نانو شده است. یكی از مهمترین گروه ها كه بر پایه مواد آلییا ساختار های درون بدن انسان ساخته و تولید می شوند " ریزتراشه های زیستی " نام دارند. که بر پایه تکنولوژی (LOC)LAB ON CHIP ساخته می شوند. روند رو به تكامل ریز تراشه های زیستی از یك سو ، روند تشخیص و درمان بیماری ها را تسریع بخشیده است و از سوی دیگر ابعاد و اندازه های ظریف‌تر و مناسب تری را در اختیارمتخصصان قرار داده است. ایده اولیه بجود آمدن این سیستم بر این مبنا استوار است که بجای انکه نمونه بافت،خون یا هر بافتی از بدن یک موجود به ازمایشگاه برده شده و مورد آزمایش قرار گیرد ، ما آزمایشگاهی در ابعاد کوچک و سازگار با بدن موجود زنده طراحی کنیم و با هدایت ان در درون بدن فرد تمام فرایند های نمونه گیری، کشت ، آنالیز وکلیه فرایندهای شیمیایی و فیزیکی لازم را انجام دهد و نتیجه را با استفاده از امکانات مخابراتی طراحی شده بر روی ان به گیرنده ای که در خارج از بدن قرار دارد ارسال نماید و بدین ترتیب فرایند تشخیص صورت گیرد

آزمایشگاهی درون بدن در ابعاد نانو

(بررسی تکنولوژی LAB ON CHIP)

مهندس میلاد سبزی نژاد، کارشناسی الکترونیک

دانشگاه چمران اهواز

ادامه ی مطلب را نیز بخوانید!

مقدمه

امروزه دانش پزشكی به یاری گسترش و پیشرفت فناوری های جدید، قادر به تشخیص و درمان بیماری های گوناگون بر پایه علوم الكترونیك، بیوشیمی ونیز فناوری نانو شده است. یكی از مهمترین گروه ها كه بر پایه مواد آلییا ساختار های درون بدن انسان ساخته و تولید می شوند " ریزتراشه های زیستی " نام دارند. که بر پایه تکنولوژی (LOC)LAB ON CHIP ساخته می شوند. روند رو به تكامل ریز تراشه های زیستی از یك سو ، روند تشخیص و درمان بیماری ها را تسریع بخشیده است و از سوی دیگر ابعاد و اندازه های ظریف‌تر و مناسب تری را در اختیارمتخصصان قرار داده است. ایده اولیه بجود آمدن این سیستم بر این مبنا استوار است که بجای انکه نمونه بافت،خون یا هر بافتی از بدن یک موجود به ازمایشگاه برده شده و مورد آزمایش قرار گیرد ، ما آزمایشگاهی در ابعاد کوچک و سازگار با بدن موجود زنده طراحی کنیم و با هدایت ان در درون بدن فرد تمام فرایند های نمونه گیری، کشت ، آنالیز وکلیه فرایندهای شیمیایی و فیزیکی لازم را انجام دهد و نتیجه را با استفاده از امکانات مخابراتی طراحی شده بر روی ان به گیرنده ای که در خارج از بدن قرار دارد ارسال نماید و بدین ترتیب فرایند تشخیص صورت گیرد.

ریز تراشه زیستی

ریز تراشه زیستی در اولین بررسی یك دستگاه نیمه رسانا استكه برپایه ساختار DNA تولید می شود. در بدن انسان DNA زنجیره مولكول های به یكدیگرمتصلند كه عامل انتقال وراثت و نشانه‌گذاری محسوب می شوند. تراشه سازان به یك مادهای نیاز دارند كه سرعت زیادی داشته باشد. DNA خیلی شبیه به یك سخت دیسك كامپیوتر است كه اطلاعات ثابت را ذخیره می كند. DNA با تراشه كامپیوتر تركیب شده و سرعتمحاسبه را زیاد می كند. از لحاظ سرعت جدا از كامپیوترهایی هستند كه تراشه آن ازسیلیكون است. با مقدار كم DNA، كامپیوتر می تواند 10 تـریـلـون بـایت اطلاعات نگهدارد و در هر زمان10 تریلیون محاسبه انجام دهد.این دستگاه كوچك در تعاریف نظری شاملمدارات مجتمع (IC) بر پایه ( زیرساختار ) مولكول های آلی یا ارگان های حیاتی هستند. دو گروه عمده برای ریزتراشه های زیستی در نظر گرفته می شود: گروه اول، یكدستگاه كوچك متشكل از مولكول های آلی بزرگ (مانند پروتئین ها) هستند كه قـدرت وتـوان اجـرایـی انـجـام عـملیات (ذخیره داده ها، كنترل فرایند) همانند یك كامپیوترالكترونیكی را دارند و گروه دیگر ، یك دستگاه ظریف با توانایی اجرایی سریع و فوری ،برای واكنش شیمیایی در ابعاد كوچك در راستای دستیابی و تشخیص زنجیره های ژن ،آلودگی مـحیطی ، مسمومیت‌های هوایی یا سایر مشتقات بیوشیمی به كار می رود.پیشرفتهای ریزتراشه ها عامل اصلی رشد سریع صنایع بیوتكنولوژی است كه باعث گسترش تحقیقاتعلمی در زمینه ژن شناسی و پروتئین شناسی و ... شده است. از دیگر مزایای این تولیدات، دستیابی دانشمندان به روش های جدید برای درك صحیح از تولیدات بیوشیمی پیچیده ،اتفاقات و واكنش های داخل سلولی و نیز درك و درمان بیماری های انسان است. این امرباعث رونق بازار و صنعت تولیدات ریز تراشه های زیستی شده است.

انواع ریزتراشه های زیستی

با گسترش و تولیداتابزارهای نیرومند و دقیق در تولید ریزتراشه ها ، امروزه هر دسته از این دستگاه هایریز و بسیار ریز Nano ِ(Macro) برای اهدافی خاص طراحی و تولید می شوند. اگرچه همه آن ها از لحاظ نظری دارای یك ریشه واحد هستند. در ادامه به معرفی مهمتریندسته‌ها و كاربردشان به اختصار پرداخته شده است

ریزتراشه های DNA (DNA Chips)

این دسته ازریزتراشه های زیستی كه وسیع‌ترین و پـركـاربرد ترین دستگاه های ریزاندازه در دانشپزشكی هستند و بر اساس استفاده از DNA وRNA طـراحـی و تـولیـد مـی‌شـونـد، اغلـب آن‌ها را با DNA مــیــكـــــرو آرایــــه DNA (microarray) مــــی‌شــنــــاســنــــد. ‌ریزتراشه DNA، به طور گسترده، افزایش تعداد ژنهـایـی كـه قـادر بـه مطـالعـه در یـك آزمایش هستند. همچنین ایجاد سری های خاص وپیوند زنی قدرت این ریزتراشه را در آنالیز های ژنی افزایش داده است. انواع مختلفاین ریزتراشه در بازار قابل دسترسی است جدول زیر انواع كاربرد این تراشه را به صورت اختصار معرفی می كند:

ریز تراشه های پروتینی 

(Protein Chips)

سـاختـار ریـزتـراشـه هـای پـروتینـی یـا آرایـه هـایپـروتـیـنـی هـمـانند ریزتراشه های DNA است با این تـفـاوت كـه نـقـش اصلی راپروتئین ها در عملیات بـیـولـوژی و ارگـان هـای اصـلـی بـازی می كند. این ریزتراشهها معمولا برای آسیب شناسی انسانی در داروشناسی به كار رفته و اساس تحقیقات بیولوژیمـحـســوب مــی شــونــد. بــی گـمــان ریـزتـراشـه هـای پروتینی ، یكی از مهمترینروش های ایمنی سنجی (immunoassays) و آنتی بادی (anti body) در سطح تشخیصاتكلینیكی است. ریزتراشه های پروتینی در تشخیص اثر دارویی (Drug discovery) و آزمایش مـسـمــومـیــت (toxicological testing) كـاربـردهـای فراوان دارد

ریزتراشه های الكترونیكی و الكتروشیمیایی

electrochemical Chips Electronic

ریزتراشه های الكترونی برای ردیابی تغییرات در خـــواص الــكــتـــریــكـــی بـــا اســتــفـــاده از پــیـــونــدزنــی DNA)DNA hybridization) و محصور سازی پروتئین بـه صـورت مطالعاتی و پژوهشی به كار می روند. حسگرهای انتقال دهنده سیگنال های الكتریكی بیو مـولـكـولی و سلولی كه برای تحلیلهای آنالیتیك مورد استفاده قرار می گیرند، از جمله كاربردهای این دسته هستند.اصولا،این حسگرها برای كشف و آشـكــارســازی الـكـتــروشـیـمـیــایــی فـعــال ازجـمـلـهرنگ‌های آلی (organic dyes)، تركیبات فلزی، آنزیم ها یا نانوذرات فلزی مناسب هستند (شكل 4) برای این دسته سه گروه فعالیت و كاربرد در نظر گرفته میشود:

Lab-on-Chip:

اصول LOC بر اساس تجمع سازیتمامی دستگاههای ضروری در یك ریزتراشه برای نمایش تركیبات بیوشیمی پیچیده وفرایندهای شیمیایی (كه معمولا با حجم زیاد تجهیزات آزمایشگاهی انجام شده) است.فناوری Lab-on-Chip در حقیقت نشان دهنده ترکیبی از علوم بیوشیمی، بیولوژی مولکولی، شیمی، فیزیک، الکترونیک و کامپیوتراست. در حقیقت LOC ها ابزارهای آنالیتیكی بشمار می روند كه می توانند با بهره گیری از هوشمندی مواد بیولوژیك، تركیب یا تركیباتی را شناسایی نموده ، با آنها واكنش دهند. و بدین ترتیب یک پیام شیمیایی، نوری و یا الكتریكی ایجاد نمایند. بیشترین كاربرد بیوسنسور ها در تشخیص های پزشكی و علوم آزمایشگاهی استدرساختار LOC ها، كانال های كم عرض، پمپ ها، اتاقك های سخت با دستگاه های الكترونیو نوری، حسگرها و محرك ها برای اجرای مراحل چندگانه برنامه ها می تواند وجود داشتهباشد.گستره فعالیت و كاربرد این ریزتراشه زیستی ، در تمامی فضاهای كاری ریز اندازهاز پروتئین شناسی و ژنتیك تا اطلاعات زیستی است. 

سیستم مرتب سازی سلولی (Cell sorting system):

برای كشف و آشكارسازی سلول از دو روش مرتب سازی و شمارش سلولیاستفاده می شود. روش مبتنی بر LOC دارای قابلیت تكثیرپذیری و تفكیك پذیری مناسب درابعاد سلولی با قطر 6/0میكرو متر است. بیشترین تمركز كاری بر روی جایگزینی مرسوماتاقك سیال با دستگاه هایی با ابعاد كوچك (ریزتولیدات) است. ازاین‌رو سلول ها، ذراتو معرف ها می توانند به وسیله فشار، حركت ذرات معلق نارسنا بر اثر جریان و نفوذپذیرالكتریكی دستكاری شوند.

مزایای LOCها بر سایر سیستمهای اندازه گیری موجود را می توان در موارد زیر خلاصه نمود: 

1) سیستمهای اندازه گیری موجود توانایی سنجش مولکولهای غیرقطبیی که در بافتهای حیاتی تشکیل می گردند را ندارند در حالی که بیوسنسورها میتوانند این ترکیبات را شناسایی و سنجش کنند. 

2) از آنجایی که مبنای کار بیوسنسور ها بر اساس سیستم بیولوژیکی تثبیت و تعبیه شده در خود آنهاست، بنابراین آنها ها اثرات جانبی بر سایر بافتها ندارند. 

3)کنترل پیوسته و بسیار سریع فعالیتهای متابولیسمی توسط این سنسورها امکان پذیر است. 

4)معمولا استفاده از سیستم هایاندازه گیری با هزینه هایبسیاری همراه است در حالی که LOC ها در تولید انبوه می توانند بشدت بهره اقتصادی مناسبی در کاربردهای مختلف داشته باشند.

5) با توجه به کوچک شدن ابعاد در این نوع سیستم و باتوجه به این نکته که مواد مصرفی در مباحث آزمایشکاهی و بیولوژیک بسیار پر هزینه و تامین آنها در مواردی سخت می باشد و کاهش حجم مواد مصرفی از این نوع در این تکنولوژی بسیار مفید می نماید.

6) این تکنولوژی توانایی سنجش بسیاری از مواد مانند DNA ،اسید های نوکلوئید،RNA ،پروتئین ها و بسیاری ازمواد بیولوژیکی که درمباحث تشخیصی اهمیت دارند را دارد.

7) سیستمهای اندازه گیری موجود توانایی سنجش مولکولهای غیرقطبیی که در بافتهای حیاتی تشکیل می گردند را ندارند در حالی که بیوسنسورها میتوانند این ترکیبات را شناسایی و سنجش کنند. 

8) از آنجایی که مبنای کار بیوسنسور ها بر اساس سیستم بیولوژیکی تثبیت و تعبیه شده در خود آنهاست، بنابراین آنها ها اثرات جانبی بر سایر بافتها ندارند. 

9)کنترل پیوسته و بسیار سریع فعالیتهای متابولیسمی توسط این سنسورها امکان پذیر است

LOC هوشمند مصرفی برای آنالیزهای خونی:

.معمولا برای ساخت این نوع LOC از موادی نظیر PMMA ،PDMS ،پلی اتیلن و پلی کربنات استفاده می شود.از این نوع مواد می تواندر ساخت LOC هایی جهت شناسایی پارامترهای مختلف زیستی و شیمیایی استفاده کرد مانند po2 که میزان فشار اکسیژن محلی است و به عنوان یکی از پارامترهای مطرح در زمینه سلامتی محسوب می شود.

کاتریج LOC های یکبار مصرف با استفاده از پلاستیک تزریق شده و با تکنولوژی باند مستقیم پلاستیک – پلاستیک قالب گیری می شود.یک کاتریج بیوچیپ شامل میکروجبران کننده حجم ثابت مبتنی بر تکنولوژی sPROM ،یک توزیع کننده هوا روی منبع فشار چیپ و تعدادی بیوسنسور الکتروشیمیایی می باشد.

مبنای عملکرد سنسورهای اکسیژن که به روش آمپرمتریک میزان اکسیژن را مشخص می کنند این است که وقتی انتشار پروفایل اکسیژن از نمونه تا سطح الکترود اشباع است،به این معنی است که یک پروفایل توزیع اکسیژن با گرادیان ثابت تولید شده است و جریان تولید شده متناسب است با تمرکز اکسیژن در محلول مورد آزمایش است.لایه سلیکون باید یک غشاء نفوذ پذیر باشد و به سبب نفوذپذیری بالا واز آن استفاده می شود.ملوکول های آب از غشاء سلیکون عبور می کنند و به ژل بر مبنای الکترولیت بپیونددو بنابراین یون های کلر می تواند تا نزدیک آند حرکت کنند و با یون های نقره واکنش دهند و تعداد الکترون ها در این واکنش توسط سیستم اندازه گیری مورد سنجش قرار می گیرند.

تعریف ریز ارایه Microarray

بطور ساده ریز ارایه عبارت است از فناوری بررسی فعالیت ده ها، صدها و هزاران ژن و یا پروتئین در یک سطح کوچک ( یک لام میکروسکوپی و یا یک ریز ارایه در حد چند سانتی متر مربع) جهت مقایسه، مشابهت و یا بررسی تغییرات شامل، تغییر، کاهش ، افزایش و یا عدم تغییر در ساختار و فعالیت ژن ها و یا پروتئین های نمونه با نمونه های شاهد.

حاصل این بررسی ارزش بسیاری در تشخیص، تفکیک و ژنوتایپ عوامل عفونی؛ تغییرات مولکولی سلول ها و بافت ها و شناسایی عوامل مولکولی تغییر یافته در یک سلول، بافت و ارگان اسیب دیده با نمونه سالم و در نهایت استفاده گسترده از این فناوری در تحقیق ، توسعه، پیشگیری ، تشخیص و درمان را عملی می سازد.

علل نیاز فناوری ریز آرایه:

تا کنون برای مطالعه خواص، فعالیت و نقش ژن ها و پروتئین ها و کشف فرایند های مولکولی درون سلول ها و بافت ها و همچنین جنبه های مولکولی بیمارها و لسیب های زیستی اکثرا یک ژن و یا حداکثر چند ژن یا پروتئین بطور خاص و جداگانه مورد بررسی و مطالعه قرار می گرفت.

این روش ها شامل PCR و انواع روش های استفاده از نشانگر ها، بلاتینگ موسوم به وسترن بلات، نورترن بلات و ساترن بلات و همچنین بررسی القا و فعالیت متفاوت ژن ها و پروتئین ها و بسیاری از فنون دیگر صورت می گرفت ولی بررسی همزمان هزاران ژن و پروتئین بسیار دشوار بود.

پس از خاتمه طرح ژنوم انسانی و تعیین ردیف کامل ژنوم انسان که شامل 3 میلیارد نوکلئوتید ( واحد تشکیل دهنده ژن) که در واقع حدود 30 هزار ژن را رمز می نمود و مطالعه این اطلاعات مشخص شد که مطالعه یک ژن و یا یک پروتئین و کشف یک فرایند بطور جداگانه کمک بسیاری به حل مشکل نمی کند زیرا فراین های زیستی بسیار پیچیده است و گاهی ده ها و صدها ژن در بروز یک فعالیت نقش دارند.

در همین مسیر فناوری های ژنومیک و پروتئومیک کمک بسیاری جهت بررسی فعالیت و تغییرات مجموعه ژن ها و پروتئین ها نمود که هنوز نیز بعنوان روش های مفید استفاده می شود.

ولی با توسعه این روش ها و اطلاع از کاستی های انها به علوم و فناوری های جدیدی نیاز بود که بتواند همزمان کاهش ، افزایش و عدم فعالیت ده ها ، صدها و هزاران ژن و یا پروتئین را بررسی و گزارش نماید

این فناوری با ترکیبی از چندین عام و فناوری حاصل شد و ان تهیه ریز ارایه ها و یا میکروآریه بود.

برای ایجاد این فناوری نیاز به زیر ساخت ها و علومی بود تا با جمع نها بتوان اسن فناوری را کاربردی نمود. 

بخش های مختلف یک ریز آرایه :

یک سیستم microarray یا ریز آرایه واجد بخش های زیر است :

1- پروب های مورد نیاز که بایدطراحی، سنتز و نشاندار گردند

2- لام های مخصوص که پروب ها به روی ن تثبیت گردند این پروب ها می تواند هر نوع مولکول زیستی باسند

3- سیستم پرینت و یا تثبیت پروب ها به روی لام یا تهیه ری آرایه و ملحقات آن

4- دستگاهی که ازمایشات اتصال نمونه به روی ریز ارایه در ان انجام می شود 

5- دستگاهی که اطلاعات و نتایج را از روی لام می خواند یا اسکنر

6- برنام بررسی و انالیز داده ها

7- سایر تجهیزات، ملحقات و مواد شیمیایی مورد نیاز

منابع:

1-J.P. Jing J. Reed J. Huang X. Hu V. Clarke J. Edington D. Housman T.S. Anantharaman E.J. Huff B. Mishra B. Porter A. Shenkeer E. Wolfson C. Hiort R. Kantor C. Aston and D.C. Schwartz Automated high resolution optical mapping using arrayed fluid-fixed DNA molecules. Proc. Nat. Acad.Sci. 95 8046-8051 (1998).

2-Xueji Zhang HuangxianJu Joseph Wang Electrochemical Sensors Biosensors and Their Biomedical Applications ISBN: 978-0-12-373738-0 2008.

3-S.M.Zendehbad " Bionanotechnology principle and application" State Engineering university of Armenia (SEUA) Yerevan 2008.

4)C. Gao, J.-W. Choi, M. Dutta, S. Chilukuru, J. H. Nevin,J. Y. Lee, M. G. Bissell, C. H. Ahn: A fully integratedbiosensor array for measurement of metabolicparameters in human blood, Proc. of the 2nd Second Annual International IEEE-EMBS Special TopicConference on Microtechnologies in Medicine andBiology, Madison May 2–4, 2002, ed. by A. Dittmar,D. Beebe (IEEE, New York 2002) 223–226

5)C. Effenhauser, H. Harttig, P. Kramer: ANevaporation-based disposable micropump conceptfor continuous monitoring applications, BiomedicalDevices 4 (2002) 27–32