معماری

نانوبیوسنسورها: آینده‌ای برای تشخیص بیماری‌ها

نانوبیوسنسورها: آینده‌ای برای تشخیص بیماری‌ها

فناوری نانو، توانايي ساخت، كنترل و استفاده ماده در ابعاد نانومتري است. اندازه ذرات در این فناوری‌ها بسيار مهم است، چرا كه در مقياس نانويي، ابعاد ماده در خصوصيات آن بسيار تأثيرگذار است و خواص فيزيکي، شيميايي و بيولوژيکي تک‌تک اتم‌ها و مولکول‌ها با خواص توده ماده متفاوت است. اين اندازه در مواد مختلف متفاوت است، اما به طور معمول مواد نانو به موادي كه حداقل يكي از ابعاد آنها كوچك‌تر از 100 نانومتر باشد گفته مي‌شود. یکی از جاهائی که فناوری نانو تأثیر بسیار زیادی داشته است در پزشکی به خصوص موارد تشخیص می‌باشد. فناوری نانو، با داشتن تأثیر بسیار عمیق بر توسعه علوم مهندسی پزشکی، توانسته است خود را به عنوان یک کلاس جدید از حسگرهای زیستی به نام “نانو بیوسنسور (Nanobiosensor)” نشان دهد. نانوبیوسنسورها نیز همانند بیوسنسورها که در مطالب گذشته توضیح داده شد دارای یک مولکول زیستی ثابت و ترنسدیوسر (Transducer) هستند. نکته حائز اهمیت در کلاس نانو بیوسنسورها، واکنش بین مولکول‌های زیستی و آنالیت است که اصولاً القاگری چندگانه دارد. با طراحی مسیر واکنش بین مولکول زیستی و ترنسدیوسرها می‌توان نانوبیوسنسورهایی ساخت که به طور گسترده برای تشخیص مولکولی نشانگرهای زیستی استفاده شوند. این مقوله با ساخت نانومواد جدید و پیشرفت فناوری تصحیح آنها به صورت جدی به عنوان پژوهش‌های بیوسنس مورد توجه قرار گرفته است. امروزه این فناوری در ابعاد مختلف زندگی بشر وارد شده و با توسعه تحقیقات در فیلد‌های مختلف، هر روز کاربردهای آن وسیع‌تر می‌گردد (شکل 1).

در این مطلب سعی کرده‌ایم به بررسی خلاصه پیشرفت‌های تشخیص بیماری و تشخیص بیومارکرهای سلولی مانند پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک به کمک تکنولوژی نانو تا اواسط سال 2014 بپردازیم. همچنین به واسطه‌های نانویی ساخت نانوبیوسنسورها نیز اشاره‌ای خواهیم داشت.

 

تعریف یک نانو بیوسنسور

پیشرفت‌‌‌های سال‌های اخیر در فناوری نانو و ایجاد تکنولوژی پیشرفته الکتریکی، منجر به ساخت مجموعه جدیدی از حسگرهای زیستی در تشخیص بیماری‌ها به نام نانوبیوسنسورها شده است. نانو بیوسنسورها، دستگاه‌هایی برای اندازه‌گیری یک واکنش بیوشیمیایی و یا زیستی با استفاده از فناوری الکترونی، نوری، مغناطیسی و یا از طریق جمع‌آوری اطلاعات یک پروب هستند.

اهمیت این دستگاه‌ها، به دلیل اهمیت تشخیص بیماری‌ها و میزان سلامت انسان‌هاست. این دستگاه‌ها می‌توانند در لحظه، وضعیت فیزیولوژیک بیماری را تشریح کنند. بیومارکرها اهدافی هستند که این دستگاه‌ها برای تشخیص و تشریح وضعیت بیماری در زمان واقعی (Real Time) استفاده می‌کنند. علاوه بر این، سرعت بررسی در زمان واقعی به تجزیه و تحلیل مواد غذایی و سلامت محیط زیست انسان‌ها از نظر آفت‌کش‌ها و آلاینده‌های آب، کمک قابل‌توجهی می‌نماید، بنابراین کاملاً مشخص است که تجزیه و تحلیل وضعیت سلامت در هر لحظه، موضوعی حیاتی است. آگاهی از وضعیت موجود در هر لحظه، باعث ایجاد مدیریت بحران مناسب در سطوح، پیش‌بینی، جلوگیری و درمان خواهد شد.

امروزه دانشمندان با توجه به اهمیت بیوسنسورها و با کمک فناوری نانو، سعی در ساخت سیستم‌های تجزیه و تحلیل هوشمندی دارند که می‌توانند چندین عامل خطرساز را در یک سیستم تشخیص داده و حتی عوامل را از یکدیگر نیز تمیز دهند. این بیوسنسورها باید بتوانند غلظت‌های بسیار پایین بیومارکرها و مواد خطرزا را تشخیص داده و به صورت یکپارچه بر روی یک نانوتراشه و یا یک میکروتراشه واکنش الکتریکی لازم را ایجاد کنند. میکروماکنیک‌ها در این زمینه با زیست‌شناسان و نانوبیوتکنولوژیست‌ها همکاری نزدیکی خواهند داشت.

در نهایت سعی بر ساخت micro-total analysis systems است که بتواند هزاران مورد خطرساز برای سلامتی را تشخیص و تجزیه و تحلیل کند و بر مبنای استانداردهای آزمایشگاهی گزارش دهد. از این رو مبحث نانوبیوسنسورها به عنوان اندازه‌گیری مواد در محیط، در زمان واقعی و در شرایط بسیار پیچیده‌ مطرح شده است.

اما در ابتدا اجازه دهید که مفاهیم یک نانوبیوسنور را در اینجا مرور کنیم:

 

مفهوم پایه نانوبیوسنسور

عبارت نانوبیوسنسور در حقیقت به این معنی است که مواد بیولوژیکی مانند آنتی‌بادی، اسید نوکلئیک، پاتوژن‌ها و متابولیت‌هایشان به وسیله فناوری نانو و زیست‌شناسی قابل تشخیص هستند. اصل کار شامل اتصال آنالیت‌های موردنظر بر روی گیرنده‌های زیستی که به نوبه خود سیگنال‌های شیمیایی- فیزیکی تولید می‌کنند، می‌باشد (شکل 2). پس از آن نیاز به یک مبدل است که سیگنال‌های فیزیکوشیمیایی را تبدیل به سیگنال‌های الکتریکی کند. ازین پس آشکارسازهای الکتریکی با توجه به خروجی‌های متفاوتی که تولید می‌کنند می‌توانند به صورت جریان، موج الکترومغناطیس، جرم، دما و یا ویسکوزیته نظارت شوند. نانومواد در این میان نقش یک لینکر و یا میانجی و یا لایه میانی بین عوامل بیولوژی و قطعات آشکارساز فیزیکوشیمیایی را بازی می‌کنند، لذا بیوسنسورهایی که در لایه میانی آنها نانوفناوری استفاده شده باشد، نانوبیوسنسور نامیده می‌شوند.

 

 

نانومواد در بیوسنسورها (نانوذرات، کربن نانوتیوب‌ها، نانوغشاها، نانوسیم‌ها)

در یک بیوسنسور معمولی، عنصر حسگر که به حضور ماده هدف واکنش نشان می‌دهد، به ترنسدیوسر متصل می‌شود (شکل 2). ترنسدیوسر وظیفه ثبت این واکنش را بر عهده دارد. در حال حاضر تکنولوژی این اجازه را به ما می‌دهد که در ساختمان ترنسدیوسرها از نانومواد استفاده کنیم. نانومواد گوناگون با خواص مطلوب و اندازه و ساختار کاملاً مشخص، می‌توانند قدرت ترنسدیوسر را افزایش دهند.

 

نانوذرات

یکی از نقطه ضعف‌های اساسی بیوسنسورها، تمایل و ظرفیت پایین اتصال است، به صورتی که اندازه هر گیرنده و جایگاه که فقط یکبار خاصیت القاگری دارد در اندازه واکنش و برانگیختگی بسیار مؤثر است. نانوذرات با توجه به توانایی ساخت اختصاصی (Custom-made) آنها، می‌توانند این ضعف را به خوبی پوشش دهند، چرا که اندازه کوچک آنها، بر روی خاصیت زیستی و توانایی اتصال آنها به هدف تأثیری ندارد و گاهی گزارش شده است که اندازه کوچک، تمایل آنها به اتصال را نیز افزایش داده است. استفاده از نانوذرات می‌تواند، اندازه سیگنال را افزایش داده و منجر به پاسخ شدیدتر ایندیوسر (القا کننده) شود. همچنین نانوذرات خود می‌توانند به صورت نوری ( اپتیکال) پاسخ دهند. مطالعات نشان داده است که نانوذرات طلا در اثر هیبریداسیون DNA می‌توانند یک واکنش نوری قابل رؤیت ایجاد کنند. نانومواد نیمه عادی با توجه به توانایی فلورسانس بالا در نقطه کوانتومی، زیست‌سنج بودن بیوسنسور را به شدت افزایش می‌دهند. برای کسب اطلاعات بیشتر می‌توانید به مطالعه Hahn و همکاران نگاهی بیاندازید که توانستند به وسیله کونژوگه کردن                         CdSE/AnS core-shell Quantum dots با استرپتواویدین (streptavidin) حضور یک عدد باکتری اشریشیا کلی H7 O157 را در یک محلول تشخیص دهند.

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