آزمایشگاهی درون بدن در ابعاد نانو (بررسی تکنولوژی LAB ON CHIP)
مقدمه
امروزه دانش پزشكي به ياري گسترش و پيشرفت فناوري هاي جديد، قادر به تشخيص و درمان بيماري هاي گوناگون بر پايه علوم الكترونيك، بيوشيمي ونيز فناوري نانو شده است. يكي از مهمترين گروه ها كه بر پايه مواد آلييا ساختار هاي درون بدن انسان ساخته و توليد مي شوند " ريزتراشه هاي زيستي " نام دارند. که بر پایه تکنولوژی (LOC)LAB ON CHIP ساخته می شوند. روند رو به تكامل ريز تراشه هاي زيستي از يك سو ، روند تشخيص و درمان بيماري ها را تسريع بخشيده است و از سوي ديگر ابعاد و اندازه هاي ظريف‌تر و مناسب تري را در اختيارمتخصصان 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.
ريز تراشه زيستي
ريز تراشه زيستي در اولين بررسي يك دستگاه نيمه رسانا استكه برپايه ساختار DNA توليد مي شود. در بدن انسان DNA زنجيره مولكول هاي به يكديگرمتصلند كه عامل انتقال وراثت و نشانه‌گذاري محسوب مي شوند. تراشه سازان به يك مادهاي نياز دارند كه سرعت زيادي داشته باشد. DNA خيلي شبيه به يك سخت ديسك كامپيوتر است كه اطلاعات ثابت را ذخيره مي كند. DNA با تراشه كامپيوتر تركيب شده و سرعتمحاسبه را زياد مي كند. از لحاظ سرعت جدا از كامپيوترهايي هستند كه تراشه آن ازسيليكون است. با مقدار كم DNA، كامپيوتر مي تواند 10 تـريـلـون بـايت اطلاعات نگهدارد و در هر زمان10 تريليون محاسبه انجام دهد.اين دستگاه كوچك در تعاريف نظري شاملمدارات مجتمع (IC) بر پايه ( زيرساختار ) مولكول هاي آلي يا ارگان هاي حياتي هستند. دو گروه عمده براي ريزتراشه هاي زيستي در نظر گرفته مي شود: گروه اول، يكدستگاه كوچك متشكل از مولكول هاي آلي بزرگ (مانند پروتئين ها) هستند كه قـدرت وتـوان اجـرايـي انـجـام عـمليات (ذخيره داده ها، كنترل فرايند) همانند يك كامپيوترالكترونيكي را دارند و گروه ديگر ، يك دستگاه ظريف با توانايي اجرايي سريع و فوري ،براي واكنش شيميايي در ابعاد كوچك در راستاي دستيابي و تشخيص زنجيره هاي ژن ،آلودگي مـحيطي ، مسموميت‌هاي هوايي يا ساير مشتقات بيوشيمي به كار مي رود.پيشرفتهاي ريزتراشه ها عامل اصلي رشد سريع صنايع بيوتكنولوژي است كه باعث گسترش تحقيقاتعلمي در زمينه ژن شناسي و پروتئين شناسي و ... شده است. از ديگر مزاياي اين توليدات، دستيابي دانشمندان به روش هاي جديد براي درك صحيح از توليدات بيوشيمي پيچيده ،اتفاقات و واكنش هاي داخل سلولي و نيز درك و درمان بيماري هاي انسان است. اين امرباعث رونق بازار و صنعت توليدات ريز تراشه هاي زيستي شده است.
انواع ريزتراشه هاي زيستي
با گسترش و توليداتابزارهاي نيرومند و دقيق در توليد ريزتراشه ها ، امروزه هر دسته از اين دستگاه هايريز و بسيار ريز Nano ِ(Macro) براي اهدافي خاص طراحي و توليد مي شوند. اگرچه همه آن ها از لحاظ نظري داراي يك ريشه واحد هستند. در ادامه به معرفي مهمتريندسته‌ها و كاربردشان به اختصار پرداخته شده است
ريزتراشه هاي DNA (DNA Chips)
اين دسته ازريزتراشه هاي زيستي كه وسيع‌ترين و پـركـاربرد ترين دستگاه هاي ريزاندازه در دانشپزشكي هستند و بر اساس استفاده از DNA وRNA طـراحـي و تـوليـد مـي‌شـونـد، اغلـب آنها را با DNA مــيــكـــــرو آرايــــه DNA (microarray) مــــي‌شــنــــاســنــــ� �. ريزتراشه DNA، به طور گسترده، افزايش تعداد ژنهـايـي كـه قـادر بـه مطـالعـه در يـك آزمايش هستند. همچنين ايجاد سري هاي خاص وپيوند زني قدرت اين ريزتراشه را در آناليز هاي ژني افزايش داده است. انواع مختلفاين ريزتراشه در بازار قابل دسترسي است
ريز تراشه هاي پروتيني
(Protein Chips)
سـاختـار ريـزتـراشـه هـاي پـروتينـي يـا آرايـه هـايپـروتـيـنـي هـمـانند ريزتراشه هاي DNA است با اين تـفـاوت كـه نـقـش اصلي راپروتئين ها در عمليات بـيـولـوژي و ارگـان هـاي اصـلـي بـازي مي كند. اين ريزتراشهها معمولا براي آسيب شناسي انساني در داروشناسي به كار رفته و اساس تحقيقات بيولوژيمـحـســوب مــي شــونــد. بــي گـمــان ريـزتـراشـه هـاي پروتيني ، يكي از مهمترينروش هاي ايمني سنجي (immunoassays) و آنتي بادي (anti body ) در سطح تشخيصاتكلينيكي است. ريزتراشه هاي پروتيني در تشخيص اثر دارويي (Drug discovery) و آزمايش مـسـمــومـيــت (toxicological testing) كـاربـردهـاي فراوان دارد
ريزتراشه هاي الكترونيكي و الكتروشيميايي
electrochemical Chips Electronic
ريزتراشه هاي الكتروني براي رديابي تغييرات در خـــواص الــكــتـــريــكـــي بـــا اســتــفـــاده از پــيـــونــدزنــي DNA)DNA hybridization) و محصور سازي پروتئين بـه صـورت مطالعاتي و پژوهشي به كار مي روند. حسگرهاي انتقال دهنده سيگنال هاي الكتريكي بيو مـولـكـولي و سلولي كه براي تحليلهاي آناليتيك مورد استفاده قرار مي گيرند، از جمله كاربردهاي اين دسته هستند.اصولا،اين حسگرها براي كشف و آشـكــارســازي الـكـتــروشـيـمـيــايــي فـعــال ازجـمـلـهرنگ‌هاي آلي (organic dyes)، تركيبات فلزي، آنزيم ها يا نانوذرات فلزي مناسب هستند (شكل 4) براي اين دسته سه گروه فعاليت و كاربرد در نظر گرفته ميشود:
:
اصول LOC بر اساس تجمع سازيتمامي دستگاههاي ضروري در يك ريزتراشه براي نمايش تركيبات بيوشيمي پيچيده وفرايندهاي شيميايي (كه معمولا با حجم زياد تجهيزات آزمايشگاهي انجام شده) است.فناوری Lab-on-Chip در حقیقت نشان دهنده ترکیبی از علوم بیوشیمی، بیولوژی مولکولی، شیمی، فیزیک، الکترونیک و کامپیوتراست. در حقيقت LOC ها ابزارهاي آناليتيكي بشمار می روند كه مي توانند با بهره گيري از هوشمندي مواد بيولوژيك، تركيب يا تركيباتي را شناسايي نموده ، با آنها واكنش دهند. و بدین ترتیب یک پيام شيميايي، نوري و يا الكتريكي ایجاد نمایند. بيشترين كاربرد بيوسنسور ها در تشخيص هاي پزشكي و علوم آزمايشگاهي استدرساختار LOC ها، كانال هاي كم عرض، پمپ ها، اتاقك هاي سخت با دستگاه هاي الكترونيو نوري، حسگرها و محرك ها براي اجراي مراحل چندگانه برنامه ها مي تواند وجود داشتهباشد.گستره فعاليت و كاربرد اين ريزتراشه زيستي ، در تمامي فضاهاي كاري ريز اندازهاز پروتئين شناسي و ژنتيك تا اطلاعات زيستي است.
سيستم مرتب سازي سلولي (Cell sorting system):
براي كشف و آشكارسازي سلول از دو روش مرتب سازي و شمارش سلولياستفاده مي شود. روش مبتني بر LOC داراي قابليت تكثيرپذيري و تفكيك پذيري مناسب درابعاد سلولي با قطر 6/0ميكرو متر است. بيشترين تمركز كاري بر روي جايگزيني مرسوماتاقك سيال با دستگاه هايي با ابعاد كوچك (ريزتوليدات) است. ازاين‌رو سلول ها، ذراتو معرف ها مي توانند به وسيله فشار، حركت ذرات معلق نارسنا بر اثر جريان و نفوذپذيرالكتريكي دستكاري 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 بيوسنسور 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 بيوسنسور 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
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
مهندسی پزشکی مهندسی زندگی www.bm-eng.ir
وبسایت مهندسی پزشکی مهندسی زندگی
