بیوسنسورهای بینی مصنوعی

یک سنسور بینی مصنوعی وسیله ای است که از قابلیت برخی از پستاندارن مانند سگ ها، برای تشخیص مواد منفجره و داروهای استفاده می شوند. تحقیقات اخیر در این زمینهف نشان داده است که این قابلیت سگ ها ممکن است برای تشخیص مولکول ها نیز استفاده شوند. در صورت اجرایی شدن این ایده، امکان تشخیص بیماری هایی مانند سرطان با استفاده از این وسایل، مقدور می شود. برنامه های تحقیقاتی گسترده ای در حال انجام می باشد تا بدین صورت بینی های مصنوعی تولید شوند. یکی از این پروژه هاف پروژه ی BOND اروپا می باشد. کاربرد این نوع از بیوسنسورها، در پزشکی (برای تشخیص پیش از موعد بیماری ها)، تشخیص مواد منفجره و صنعت مواد غذایی می باشد. این نوع از سنسورهای الکتروشیمیایی در حقیقت از سیستم بویایی پستانداران تقلید می کند. بیوسنسورهای بینی مانند بینی ما از سه جزء اصلی تشکیل شده اند: یک گیرنده ی بیومولکولی، یک الکترود و یک مبدل. وقتی دتکتور هدف را پیدا می کند، یک واکنش شیمیایی بین دتکتور و بیومولکول دریافت کننده، ایجاد می شود. واکنش شیمیایی میان گیرنده و ماده است که موجب می شود ما یک بو را از طریق سیگنال شیمیایی، دریافت کنیم. الکترود این سیگنال شیمیایی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند و آن را به مغز ارسال می کند. در مورد بیوسنسورهای بینی نیز این سیگنال به مبدل انتقال می یابد. در پستاندارن، نورون های عصبی، معادل الکترودهای موجود در بینی معصنوعی می باشد. مبدل (مغز در انسان ها) سیگنال های الکتریکی را دریافت می کند و به اطلاعات تحلیلی تبدیل می کند. در مورد بیوسنسورهای بینی، این مبدل اطلاعات را بر روی صفحه ی نمایش، ایجاد می کند.

میکروآرایه ها

این وسایل برای اهداف تشخیصی مانند آنالیز DNA (میکروآرایه های DNA)، تشخیص پروتئین ها (میکروآرایه های پروتئینی) و تجزیه و تحلیل سلولی، استفاده می شوند. میکروآرایه ها پلتفرم هایی هستند که از صدها سایت تشخیصی تشکیل شده اند و دارای ابعادی میکرونی هستند. این آرایه ها، امکان تشخیص خاص مواد بیوشیمیایی در داخل یک مخلوط را فراهم می آورند. تشخیص در اینجا، در ارتباط با عامل های شیمیایی است که بر روی نقاط میکرونی این آرایه ها وجود دارد. این بخش ها منجر به ایجاد سیگنال های شیمیایی بله یا نه می شوند. میکروآرایه ها به عنوان ابزاری در غربال گری مورد استفاده قرار می گیرند. این ابزارها نه تنها برای اهداف تشخیصی بلکه همچنین برای غربال گری داروهای جدید نیز استفاده می شوند. نانوتکنولوژی می تواند بر روی تکنولوژی میکروآرایه ها اثر گذار باشد. این اثرگذاری در حقیقت در زمینه ی افزایش دانسیته ی نقاط مؤثره بر روی میکروآرایه ها می باشد. در حقیقت آرایه های نانومتری اجازه ی غربال گری سریع تر یک تعداد زیاد از عوامل شیمیایی را مقدور می سازند. به هر حال، برخی مسائل مربوط به جابجا کردن مقادیر بسیار اندک از مایع ها وجود دارد، بنابراین نانوتکنولوژی بهترین مزیت ها در زمینه ی تشخیص نمونه با آرایه ها را دارا می باشد. روش متداول مورد استفاده در تشخیص واکنش های "بله یا نه" در هر نقطه، فلئورسنت است. این روش از پروب های فلئورسنت تولید شده از مولکول ها آلی استفاده می کند که به گونه های تشخیصی متصل می شوند (مثلا به پروتئین ها و یا بخش های DNA). وقتی واکنش رخ می دهد، این بخش ها به نقاط تشخیصی می چسبند و رنگ فلئورسنت خاصی از خود ساتع می کنند. البته این روش از برخی محدودیت ها، رنج می برد. یکی از این مسائل، سفید شدن سریع مولکول های فلئورسنت می باشد (این مسئله موجب افت روشنایی رنگ در زمان تصویربرداری می شود). تعداد محدود مولکول های رنگی که دارای رنگ های متمایز هستند و همچنین مسئله ی تصویربرداری همزمان و حساسیت محدود، از جمله مسائلی است که با آن روبرو هستیم. نانوذرات در شکل کوانتم دات ها (QD) می توانند به عنوان یک جایگزین برای رنگ های آلی متداول، استفاده شوند. این ذرات پایدارتر بوده و حساسیت و تک رنگ بودن آنها نیز بالاست. یک بهبود قابل توجه در حساسیت در مقایسه با مارکرهای فلئورسنت متداول، از طریق استفاده از ذرات طلا و نقره با ابعادی بین 40 تا 120 نانومتر، احساس شده است. تقویت سیگنال همچنین با استفاده از برچسب های نانوذره ای فلزی مانند نانوذرات اصلاح شده با DNA، قابل حصول می باشد. این پروب های با ابعاد نانومتری، مولکول هایی دارند که به سطح آنها می چسبند و گزینشی بودن تشخیص را تأیید می کنند، در حالی که خواص نانومتری مربوط به پروب مسئول بهبود کیفیت سیگنال می باشد. اثر کلی در حقیقت بهبود در حساسیت و گزینش پذیری تکنولوژی میکروآرایه می باشد.

نانوبارکدها

خواص منحصربفرد مربوط به نانوذرات مانند روابط بین اندازه ی ذره و رنگ، می تاند برای ایجاد سیستم های تشخیص چندگانه استفاده شود. این سیستم ها نانوبارکد نامیده می شوند. برای مثال، استفاده از کوانتم دات ها، منجر به ایجاد کدهای رنگی مختلف می شود. به طور مشابه، بخش های DNA یا نانوکره ها، می توانند برای ایجاد یک بیوبارکد استفاده شود، مثلا بیوبارکدی برای تشخیص پروتئین ها. یک بیوبارکد برای تشخیص مقادیر اندک از مارکرهای سرطانی پروستات (PSA) در سرم خون، استفاده می شود. نتایج نشان می دهد که یک حساسیت افزایش یافته در پروتئین PSA نسبت به آرایه های پروتئینی متداول، نشاندهنده ی پتانسیل مناسب این روش برای تشخیص سرطان ها در مراحل اولیه می باشد.

آزمایشگاه بر روی چیپ

این وسایل در حقیقت آزمایشگاه های مجتمع کوچک سازی شده ای هستند که اجازه ی جداسازی و آنالیز نمونه های بیولوژیکی مانند خون را در یک وسیله ی منفرد، مقدور می سازند. این بخش ها از سیستم های میکروسیالی تشکیل شده اند که شامل میکروپمپ ها و میکرو ولوها هستند. این اجزا با بخش های میکروالکترونیکی، ترکیب شده اند. این وسایل می توانند همچنین از یک یا چند سنسور تشکیل شده باشند. مشابه تکنولوژی میکروآرایه، اثر نانوتکنولوژی در این زمینه نیز در حقیقت کوچک سازی بیشتر این وسایل می باشد، اگر چه انتقال مقادیر اندک از نمونه در اینجا نیز مشکلاتی ایجاد می کند. هم اکنون نانوتکنولوژی در حال تأثیرگذاری بر روی اجزای خاص و عملکردهای مربوط به آزمایشگاه بر روی چیپ می باشد. برای مثال، آنالیز عمدتا در این بخش ها بوسیله ی دی الکتروفورز انجام می شود که در حقیقت میدان های الکتریکی غیر یکنواخت و متغیر برای جداسازی و هدایت اجسام کوچک در گرادیان میدان، استفاده می شود. این دستکاری نیازمند استحکام های میدان بالایی است که می تواند با استفاده از الکترودهای نانوسایز، انجام شود. مثال دیگر سیستم های جدایش بر پایه ی نانوحفرات است که می تواند در حقیقت به عنوان غشاهای جداسازی در وسایل آزمایشگاه بر روی چیپ، استفاده شود. برای مثال، غشاهای نانوحفره برای جداسازی توالی های DNA پیشنهاد شده اند.

تصویربرداری

مرحله ی دوم در تشخیص یک بیماری، در حقیقت تصویربرداری از بیمار می باشد. این تصویربردای به منظور بررسی علائم مربوط به بیماری در داخل بافت های زنده ای انجام می شود که مبتلا شده اند (بدون نیاز به انجام عمل های جراحی). نانوتکنولوژی اثر مهمی در این زمینه دارد مخصوصاً با توسعه ی عوامل تصویربرداری مولکولی. آخرین توسعه ها در زمینه ی تصویربرداری، در واقع قابلیت ردیابی تغییرات در سطح مولکولی و سلولی می باشد. این کار از طریق آنالیز برخی از مارکرهای بیولوژیکی انجام می شود و به آن تصویربرداری نانویی گفته می شود. یک بیومارکر در حقیقت یک شاخص از یک فرایند بیولوژیکی و یا حالت بیولوژیکی مانند یک بیماری و یا یک پاسخ از تداخل های دارویی، می باشد. این مورد می تواند یک ژن تغییر شکل یافته و یا یک تغییر در تولید یک پروتئین و یا حتی تغییر ویژگی های فیزیکی سلول باشد. در اینجا، هدف در واقع تشخیص بیومارکرهای بیماری ها و تشخیص بیماری پیش و یا در زمان های اولیه ی شروع می باشد. این کار با تصویربرداری بافت ها قابل انجام می باشد. این روش در حقیقت ابزاری برای تشخیض زودهنگام یک بیماری است. تشخیص اولیه و مؤثر یک مسئله ی حیاتی در درمان می باشد. در حقیقت این مسئله هم در هزینه های درمانی و هم در میزان موفقیت درمان، مؤثر می باشد. تصویربرداری هدفمند مولکولی نه تنها در اهداف تشخیصی مهم می باشد، بلکه همچنین در ارزیابی میزان پیشرفت یک درمان نیز مفید است. علاوه بر این، این روش در رهایش کنترل شده ی دارو، در ارزیابی توزیع یک دارو در داخل بدن بیمار و برای تشخیص اولیه ی گردش نامناسب یک دارو نیز مفید می باشد. قابلیت ردیابی توزیع یک دارو منجر به امکان فعال سازی این دارو در زمان های مد نظر، را مقدور می سازد. بنابراین در کل، این روش موجب کاهش در سمیت داروها، می شود.

تصویربرداری تشخیصی

روش هایی مانند اشعه ی x، توموگرافی کامپیوتری (CT)، التراسونیک (US)، تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI)، پزشکی هسته ای (NM) و روش های تصویربرداری متداول، به طور گسترده ای در بخش تحقیقات پزشکی و بیوشیمیایی، استفاده می شوند. در اصل، روش های تصویربرداری می توانند تنها تغییرات در ظاهر بافت ها را در زمان شروع علائم بیماری، تشخیص دهند. بعدها، عوامل افزایش دهنده ی کنتراست نیز وارد بدن می شوند تا بدین صورت مکان بیماری در سطح بافت تشخیص داده شود و بدین صورت رزولیشن تصویربرداری، افزایش یابد. این بخش جزء بخش های خاصی است که نانوتکنولوژی بیشترین مشارکت خود را ایفا می کند. این کار با توسعه ی عوامل کنتراست با عملکرد بهتر، انجام می شود. این عوامل را می توان در تمام روش های تصویربرداری، استفاده کرد. ویژگی های فیزیوشیمیایی مربوط به نانوذرات (اندازه، بار سطحی، پوشش سطحی و پایداری) اجازه ی جهت دهی و افزایش تمرکز مارکرها در مکان های مورد نظر را مقدور می سازد. یک مثال از نانوذرات مورد استفاده در این تحقیقات، نانوذرات پرفلئوروکربن (perfluorocarbon) می باشد که در حقیقت به عنوان عوامل افزایش دهنده ی کنتراست در رش های تصویربرداری هسته ای، تصویربرداری رزونانس مغناطیسی و التراسونیک، استفاده می شود. این ماده می تواند در تصویربرداری لخته شدن خون، آنژیوژنز، متاستاز سرطانی و تغییرات پاتوژنیک دیگر در رگ های خونی، استفاده شود. کمپلکس های گادولیم نیز در نانوذرات امولسیونی و برای تصویربرداری مولکولی لخته های خونی استفاده شده است. استفاده از این مواد موجب بهبود قابل توجهی در کنتراست در مقایسه با کنتراست مربوط به عوامل تصویربرداری متداول مورد استفاده در MRI شده است. فولرن ها نیز در تحقیقات مربوط به تصویربرداری رزونانس مغناطیسی استفاده شده اند. این مولکول های بزرگ، با مولکول های کوچک تر پر شده اند تا در حقیقت به عنوان عوامل افزایش دهنده ی کنتراست، استفاده شوند. نانوذرات فلزی و سیلیکونی نیز برای بهبود کنتراست MRI مورد بررسی قرار گرفته اند. ذرات سیلیکونی تولید شده با اشکال مختلف که در حقیقت با لایه های رسانا، پوشش داده شده اند، موجب بهبود برهمکنش های مربوط به رزونانس مغناطیسی می شوند.
در تصویربردای XRD، برای بهبود سیگنال، یک عامل باید یک تعداد قابل تشخیص از اتم های سنگین را به داخل بافت هدف ارسال کند بدون آنکه موجب مشکلات مسمومیت شود. نانوذرات فلزات سنگین دارای بالاترین دانسیته اتم های سطحی هستند اما آنها باید خنثی و پایدار باشند. نانوذرات فلزات خنثی مانند طلا و نقره نیز بسیار گران هستند و از این رو، هزینه های مربوط به این روش ها افزایش می یابد. یک راه حل در اینجا، بوسیله ی General Electric پیشنهاد شده است. بر طبق این راه حل، نانوذرات فلزات سنگین با پوسته های طلا پوشش داده می شوند. مزیت افزوده ی در این بخش ها، ایجاد ترکیبات آلی با گروه های سولفیدی (تیولی) است که می توانند به سهولت و از طریق گروه انتهایی تیول، به سطح طلا بچسبند. مولکول تیول می تواند از انتهای دیگر عامل دار شود و به عنوان گیرنده ی اتصال خاص به آنتی ژن ها، آنتی بادی ها و حتی ترکیبات هدف موجود در سطح سلول، ایجاد کنند. با ایجاد گیرنده های هدف خاص هر سرطان، نانوذرات طلا می توانند موجب افزایش و بهبود قابلیت تصویربرداری اشعه ی X در بافت سرطانی مورد انتظار شود. این بهبود بسیار قابل توجه می باشد.
نانوشل های طلا یک مواد مناسب برای تصویربرداری نوری سرطان می باشد. روش های نوری می توانند رزولیشن بالایی ایجاد کنند. این تصویربرداری ها، روش های تصویربرداری با عملکرد غیر تهاجمی و با هزینه ی پایین می باشند. به هر حال، در حال حاظر، این روش ها به خاطر ماهیت ذاتی سیگنال های نوری ضعیف و تفاوت اندک میان طیف های مربوط به بافت های مختلف، مورد توجه کمتری هستند. نانوشل های طلا که دارای هسته ی دی الکتریک (مانند سیلیس) هستند، برای این کاربرد، توسعه یافته است. نانوشل های طلا دارای خواص فیزیکی مشابه با کلوئیدهای طلا هستند. یکی از ویژگی های قابل توجه این مواد، جذب نوری قوی به دلیل پاسخ الکتریکی فلز نسبت به نور (اثر LSPR) می باشد. با تغییر در ابعادی نسبی هسته و پوسته، رزونانس نوری نانوذرات می تواند به دقت و به صورت سیستماتیک تغییر کند. این تغییر از UV نزدیک شروع می شود و تا فروسرخ میانی حرکت می کند (شکل 1). این گستره شامل طول موج های نور فروسرخ نزدیک (NIR) است که در واقع قابلیت عبور از بافت آنها بالاتر است. محققین از نانوشل های طلا به عنوان عوامل کنتراست و برای توموگرافی پیوسته ی نوری (OCT) مربوط به سلول های سرطانی، استفاده می کنند. همانگونه که قبلا گفته شد، نانوشل های طلا همچنین قابلیت درمان سلول های سرطانی از طریق حرارت دهی بیش از حد آنها را نیز دارا می باشند. این مسئله در بخش بعدی، توصیف می شود.
منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff