معماری

بیوسنسور

بیوسنسور، روشی نوین در تشخیص زودهنگام

 بيوسنسورها از دو جزء bioreseptorsو Transducer تشکيل شده‌اند؛ bioreseptorمولکولي است که آناليت را در نمونه شناسايي کرده و سيگنال بيولوژيک ايجاد مي‏کند که توسط Transducer به سيگنال قابل اندازه‏گيري توسط دستگاه‌ها تبديل مي‌شود و بر اين اساس تجزيه و تحليل آناليت صورت مي‏گيرد. امروزه در زمینه شناسایی پاتوژن‌ها و اینکه چطور بیوسنسور می‌تواند در کاهش زمان تشخیص بیماری و کاهش هزینه و نهایتاً درمان نقش داشته باشد، تحقیقات ادامه دارد. بحث نوینی که از کاربردهای بیوسنسورها محسوب می‌شود، شناسایی بیومارکرهاست که به ویژه در شناسایی بیومارکرهای سرطان مورد توجه است. این مقاله مروری بر معرفی و کاربردهای بیوسنسورها خواهد داشت.

 

پیشینه biosensors

بيوسنسور ابتدا در سال 1956 توسط شخصي به نام کلارک معرفي گرديد. پروفسور کلارک در مقاله‌‌اي که راجع به الکترودهاي اکسيژن بود اين واژه را بکار برد و شش سال بعد بيوسنسوري را طراحي کرد که مربوط به گلوکز بود که در طراحي اين بيوسنسور از الکترودهاي آنزيمي استفاده نمود.

 

اجزای biosensors

بيوسنسورها از دو جزء bioreseptors وTransducer تشکيل شده‌اند؛ bioreseptorمولکولي است که آناليت را در نمونه شناسايي و سيگنال بيولوژيک ايجاد مي‏کند که توسط Transducer به سيگنال قابل اندازه‏گيري توسط دستگاه‌ها تبديل مي‌شود و بر اين اساس تجزيه و تحليل آناليت صورت مي‏گيرد. بديهي است چنانچه آناليتي وجود نداشته باشد ما سيگنالي نخواهيم داشت.

آناليت مي‏تواند مولکول پروتئین‌ها باشد، بنابراين انواع آنتي‏ژن و آنتی‏بادي را مي‏توان به عنوان آناليت در نظر گرفت. همچنين آناليت مي‌تواند اسيدنوکليئک يا انواع قندها باشد. ميکروارگانيسم‌هايي مانند باکتري‌ها و ويروس‌ها، دوزهاي آنتي‏بيوتيک، حتي يون‌هاي فلزي مي‌توانند به عنوان آناليت در نظر گرفته شوند.

 

انواع bioreseptor

bioreseptors انواع مختلفي دارند؛ از انواع bioreseptors مي‌توانيم آنتي‏ژن و آنتي‏بادي را نام ببريم که اگر آنتي‌بادي تعريف شود، آنتي‌ژن را به عنوان آناليت شناسايي مي‌کند و اگر bioreseptorآنتي‌ژن باشد، آنتي‌بادي را تشخيص مي‌دهد. Bioreseptorsمي‌توانند آنزيم‌هاي کاتاليزگر باشند که در اين حالت از واکنش پروتئین و آنزيم استفاده مي‌شود و محصول حاصل از واکنش به عنوان يک سيگنال بيولوژيک توسط biosensorsشناسايي مي‌گردد. اسيدهاي نوکليئک هم مي‌توانند به عنوان bioreseptors عمل کنند که در این حالت به کمک پروب‌هاي نشاندار شناسايي صورت مي‏گيرد. برخي سلول‌ها که داراي رسپتور در سطح خود براي اتصال به ليگاند خاص هستند را نيز مي‌توان به عنوان bioreseptor درنظر گرفت.

 

انواع Transduser

Transduserها بر اساس نوع عملکردشان در بيوسنسورها به چهار دسته کلي طبقه‌بندي مي‌شوند؛ Transducer اپتيکال ((Optical به کمک نور دريافتي يا برگشتي شناسايي را انجام مي‏دهند. نوع الکتروکميکال (Electrochemical) از واکنش‌هاي شیميايي بهره مي‌برد، مانند يک واکنش آنزيمي که سوبسترا توسط آنزيم تغيير شکل مي‌دهد و يا محصولي از واکنش که بر اساس آن شناسايي صورت مي‏گيرد. محصولي مانند اکسيژن يا تغيیراتي مانند جريان PH که توسط الکترودها قابل شناسايي است. Transducerهای مَس سنستيو (Mass-sensitive) که يک شبکه حساس به جرم هستند، براي نمونه وقتي آنتي‌ژن روي آنتي‌بادي متصل مي‌شود تغيير جرم ايجاد شده از طريق اين Transducer محسوس مي‌باشد. ترانسديوسرهاي ترمال (Thermal) بر اساس تغييرات دمايي عمل مي‌کنند چرا که واکنش آناليت و بيورسپتور مي‌تواند گرماگير يا گرماده باشد و اين تغييرات دمايي توسط ترانسديوسرهاي ترمال قابل دريافت مي‌باشد.

 

طبقه‌بندی بیوسنسورها

بيوسنسورها را غالباً بر اساس Transducerشان طبقه‏بندي مي‏کنند. بيوسنسورهاي کالريمتريک (Calorimetric Biosensor) از ترانسديوسر ترمال استفاده مي‏کنند که بر اساس گرماگير يا گرماده بودن واکنش عمل مي‏کنند. پوتنتيومتريک بيوسنسورها (Potentiometric Biosensor)و آمپريومتريک بيوسنسورها (Amperometric Biosensor) جزء بيوسنسورهاي الکتروکميکالElectrochemical مي‏باشند. نوع پوتنتيومتريک بر اساس تغييرات ولتاژ عمل مي‏کند؛ زماني که واکنش‌هاي شيميايي موجب اختلاف پتانسيل بين دو منطقه از الکتروليت گردد اين بيوسنسور توسط الکترودهاي حساس قابل شناسایي است. نوع آمپريومتريک بر اساس آمپر يا شدت جريان عمل مي‏کنند و غالباً در واکنش‌هاي اکسيد و احيا بکار مي‌روند و بر اساس انجام واکنش اکسيد و احيا در الکتروليت عمل مي‌کنند. اپتيکال بيوسنسورها
(Optical Biosensor) از Transducer اپتيکال استفاده مي‌کنند که به دو گروه طبقه‌بندي مي‌شونــــــد؛ يک گروه بر اساس رنگ‌سنجي هستند colorimetric for color که شبيه به آزمايش‌های الايزا عمل مي‌کنند و با اتصال آنزيم به سوبسترا رنگ ايجاد مي‌شود که جذب آن را مي‌توان اندازه‌گيري نمود. گـروه ديگر photometric for light intensity است که بر اساس شدت رنگي که وجود دارد عمل می‌نماید، به عنوان نمونه شدت نوري که بيورسپتور آنتي‌بادي دارد با زماني که آنتي‌ژن به آن متصل است متفاوت است و اين تفاوت شدت نور، آناليت ما را در نمونه نشان خواهد داد. پيزوالکتريک بيوسنسورها
Piezo-electric Biosensor)) از Transducer مَس سنستيو استفاده مي‌کنند. اين نوع از بيوسنسورها به کشش يا نيروي وارد شده حساس هستند.

 

طراحی بیوسنسور

برای طراحی یک بیوسنسور مناسب انتخاب bioreseptors و روش ایمونوبیلیزیشن حایز اهمیت می‌باشد. همچنین محدوده اندازه‌گیری و مداخله‏گرها باید مد نظر قرار گیرد و به حداقل برسد و نیز بسته‌بندی بیوسنسور که باید به گونه‌ای قابل استفاده باشد. به منظور کاهش مداخله‏گرها می‌توان از غشاها استفاده نمود تا به طور انتخابی از عبور مداخله‏گرها جلوگیری شود. روش‌های متفاوتی برای ایمونوبلیز کردن بکار می‏رود که در این روش‌ها مواد مختلفی استفاده می‌شود که نحوه عملکردشان متفاوت است. در روش adsorbtion موادی بکار می‏روند که قابل بازگشت هستند؛ به این معنا که مثلاً با تغییر PH مجدداً از سطح جدا می‌شوند. در روش اینتراپمنت، بیوسنسور به صورت فیزیکال روی bioreseptors قرار می‌گیرد. در روش کوالانت در اثر ایجاد باندهای کوالانس، ترانس دیوسر و بیورسپتور بهم متصل می‏گردند. در روش کوالانت و کراس‌لینک می‌توانیم لود آنزیمی بالا داشته باشیم. نسبت به روش‌های دیگر و در روش کوالانت هدررفت آنزیم خیلی کم است و روش مناسبی است اما گران است و همچنین loss of activity آنزیم قابل توجه می‌باشد، بنابراین با توجه به هدفی که از طراحی بیوسنسور داریم روش ایموبلیز را انتخاب می‌کنیم.

 

استفاده از آنتی‌بادی برای طراحی بیوسنسور

برای طراحی یک بیوسنسور بر اساس آنتی‌بادی ابتدا باید آنتی‌ژن آن آنتی‌بادی را بشناسیم. بعد از اینکه آنتی‌ژن را شناسایی کردیم به حیوان آزمایشگاهی حساس تزریق می‏کنیم، در واقع آن را ایمونیز می‏کنیم و سرم آن حیوان را بدست می‌آوریم تا ببینیم حاوی آنتی بادی هست یانه؟

اگر هدف ما صرفاً screening باشد از سرم حیوان آنتی‌بادی پلی‏کلنال استخراج کرده و با یکی از روش‌ها آن را روی transduser ایموبیلیز می‏کنیم و بعد از اینکه ترانسفیکشن‌های خاص انجام شد از آن به عنوان بیوسنسور استفاده می‌نماییم.

اما اگر بخواهیم شناسایی‌مان بسیار اختصاصی باشد باید ابتدا Bسل استخراج کنیم، سپس هیبریدوما بسازیم تا برای ما آنتی‌بادی مونوکلنال بسازد و بعد آنتی‏بادی مونوکلنال را به عنوان bioreseptor مورد استفاده قرار دهیم. همچنین می‌توان از روی Bسل cDNA بسازیم و پرایمرهایی طراحی کنیم برای سایت‏هایی از آنتی‌بادی که مد نظرمان می‌باشد و در بیوسنسور استفاده کنیم تا آنتی‌ژن مورد نظر ما را بشناسد و وقتی آنتی‌ژن شناسایی شد بوسیله ترانسدیوسری که استفاده کردیم سیگنال بیولوژیک تبدیل به سیگنال الکتریکی شده که توسط دستگاه‌های اندازه‌گیری قابل بررسی خواهد شد. از آنتی‌بادی‌ها استفاده زیادی شده است؛ مثلاً برای شناسایی عوامل بیماری‌های مختلف مانند HIV,SARS، لیستریا مونوسیتوژنز و … در طراحی بیوسنسور بر پایه آنتی‌بادی بیشتر از قسمت متغیر single chainآنتی‌بادی استفاده شده است.

 

کاربردها و ارزش اقتصادی بیوسنسورها

در زمینه کاربردهای بیوسنسور می‌توان به تشخیص بالینی دارویی آنالیز داروها اشاره کرد، همچنین در میکروبیولوژی برای آنالیز باکتری‌ها و ویروس‌ها کاربرد دارد. از بیوسنسورها در کنترل پروسه‌های بیوراکتورها و فرمانتور می‌توان بهره برد و در محیط زیست برای کنترل آلودگی‌ها و اندازه‏گیری گازهای توکسیک می‌تواند کاربرد داشته باشد.

از جنبه اقتصادی و فروش انتظار می‏رود در سال 2016 و به دنبال تحقیقات بیشتر در طراحی، بیوسنسورها حدود 14 میلیارد دلار فروش داشته باشند که نسبت به به سال 2009 دو برابر خواهد شد، به عنوان مثال بیوسنسور گلوکز بازار خوبی را به خود اختصاص داده است و تمایل شرکت‌ها برای سرمایه‌گذاری در این زمینه بسیار زیاد بوده است.

 

بحث

آنچه در مقایسه مقالات حاصل شد این بود که روش‌های ایمونوبیلیزاسیون در طراحی بیوسنسور بسیار حایز اهمیت است و در این زمینه تحقیقات ادامه دارد که چطور آنتی‌بادی یا هر bioreseptorsرا روی Transducer قرار دهیم تا کمترین هدررفت آنزیمی و بیشترین فعالیت آنزیمی وجود داشته باشد.

در زمینه شناسایی پاتوژن‌ها و اینکه چطور بیوسنسور می‌تواند در کاهش زمان تشخیص بیماری و کاهش هزینه و نهایتاً درمان مؤثر باشد، تحقیقات ادامه دارد. بحث نوینی که از کاربردهای بیوسنسورها محسوب می‌شود شناسایی بیومارکرهاست که به ویژه در شناسایی بیومارکرهای سرطان مورد توجه است.

 

فاطمه زهراب

دانشجوی دکترای تخصصی بیوتکنولوژی پزشکی

ماهنامه اخبار آزمایشگاهی

منابع:

1) P. J. Conroy, et al., “Antibody production, design and use for biosensor-base applications,” in Seminars in cell & developmental biology, 2009, pp. 10-26.

2) R. Monošík, et al.,2012 “Biosensors-classification, characterization and new trends,” Acta Chimica Slovaca, vol. 5, pp. 109-120.

3) R. José I. Reyes De Corcuera.Cavalieri”Biosensors,”,2003,pp.12-28.