تحولي در دانش پزشكي؛ ريزتراشه هاي زيستي

[Adel00 5,292]

تحولي در دانش پزشكي؛ ريزتراشه هاي زيستي

 

 

 

امروزه دانش پزشكي به ياري گسترش و پيشرفت فناوري هاي جديد، قادر به تشخيص و درمان بيماري هاي گوناگون بر پايه علوم الكترونيك، بيوشيمي و نيز فناوري نانو شده است.

 

بي شك توليد حسگرهاي ريزساختار نقش بسزايي در اين موفقيت ها و پيشرفت ها داشته است. اين حسگرها با توجه به عمكرد و ساختارشان در طبقه‌بندي‌هاي مختلفي ارائه مي شوند.

يكي از مهمترين گروه ها كه بر پايه مواد آلي يا ساختار هاي درون بدن انسان ساخته و توليد مي شوند " ريزتراشه هاي زيستي " نام دارند.اين دستگاه هاي كوچك توانايي سازگاري مناسب با محيط زنده و پويا دارند و قادر به دريافت و ارسال سيگنال و داده ها بدون آسيب رساندن به محيط زنده هستند.

 

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 اختيار متخصصان قرار داده است.

 

ريز تراشه زيستي (Biochip)

 

 

ريز تراشه زيستي در اولين بررسي يك دستگاه نيمه رسانا است كه برپايه ساختار DNA توليد مي شود. در بدن انسان DNA زنجيره مولكول هاي به يكديگر متصلند كه عامل انتقال وراثت و نشانه‌گذاري محسوب مي شوند.

تراشه سازان به يك ماده اي 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 سرعت محاسبه را زياد مي كند. از لحاظ سرعت جدا از كامپيوترهايي هستند كه تراشه آن از سيليكون است. با مقدار كم DNA، كامپيوتر مي تواند 10 تـريـلـون بـايت اطلاعات نگه دارد و در هر زمان10 تريليون محاسبه انجام دهد.

 

اين دستگاه كوچك در تعاريف نظري شامل مدارات مجتمع © 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، يك دستگاه كوچك متشكل از مولكول هاي آلي بزرگ (مانند پروتئين ها) هستند كه قـدرت و تـوان اجـرايـي انـجـام عـمليات (ذخيره داده ها، كنترل فرايند) همانند يك كامپيوتر الكترونيكي 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.

 

پيشرفت هاي ريزتراشه ها عامل اصلي رشد سريع صنايع بيوتكنولوژي است كه باعث گسترش تحقيقات علمي 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 امر باعث رونق بازار و صنعت توليدات ريز تراشه هاي زيستي شده است.

[Adel00 5,292]

تاريخچه ريزتراشه هاي زيستي

پـيشرفت و ترقي ريز تراشه ها داراي تاريخ طولاني است. از اوايل شناخت تكنولوژي حـسـگـرهـا، يكي از اولين حسگرهاي قابل حمل حسگرهاي شيميايی بودند.

از آن جمله ، الكترود شيشه اي PH كه در سال 1922 توسط هاگس Hughes(،1922) اختراع شد و براي اندازه گـيـري مـيـزان PH بـر اساس اختلاف پتانسيل يون هيدروژن طراحي شده بود. سال ها بعد حسگرهاي يون پتاسيم و اكسيژن نيز اختراع شد. اما DNA درسال 1953 مورد توجه واتسون و كريك قرار گرفت و مسير جديدي در حسگر ها ايجاد كرد.

 

رشد سريع در دو شاخه بيوشيمي و نيمه رسانا ها باعث توليد ريزتراشه زيستي در سال 1990 شد. هرچند كه با توليدات امروزي فاصله زيادي داشت اما شروع يك حركت جديد در توليد DNA چيپ ها و ژن چيپ ها شد. امــروزه انـواع بـسـيـاري از فـنـاوري ريـزتـراشـه هـاي زيستي وجود دارد كه در حال پيشرفت يا آغاز نسل نوين هستند .

 

در اين نسل DNA ، RNA، پروتئين ها و حتي سلول هاي زنده به عنوانحسگر در ريز تراشه هـاي زيستـي بـه كـار گرفته مي شوند. ارزش‌هاي مادي و كاربردهاي اين حسگر هاي كوچك باعث رونق بازار آن ها شده است.

انواع ريزتراشه هاي زيستي

با گسترش و توليدات ابزارهاي نيرومند و دقيق در توليد ريزتراشه ها، امروزه هر دسته از اين دستگاه هاي ريز 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 مهمترين دسته‌هاو كاربردشان به اختصار پرداخته شده است.

[Adel00 5,292]

ريزتراشه هاي DNA (DNA Chips)

 

 

اين دسته از ريزتراشه هاي زيستي كه وسيع‌ترين و پـركـاربرد ترين دستگاه هاي ريزاندازه در دانش پزشكي هستند و بر اساس استفاده از DNA و rNA طـراحـي و تـوليـد مـي‌شـونـد، اغلـب آن‌ها را با DNA مــيــكـــــرو آرايــــه (DNA microarray) مــــي‌شــنــــاســنــــد. ‌

 

ريزتراشه DNA، به طور گسترده، افزايش تعداد ژن هـايـي كـه قـادر بـه مطـالعـه در يـك آزمايش هستند. همچنين ايجاد سري هاي خاص و پيوند زني قدرت اين ريزتراشه را در آناليز هاي ژني افزايش داده است.

 

انواع مختلف اين ريزتراشه در بازار قابل دسترسي است جدول زير انواع كاربرد اين تراشه را به صورت اختصارمعرفي مي كند:

ريز تراشه هاي پروتيني (Protein Chips)

 

سـاختـار ريـزتـراشـه هـاي پـروتينـي يـا آرايـه هـاي پـروتـيـنـي هـمـانند ريزتراشه هاي DNA است با اين تـفـاوت كـه نـقـش اصلي را پروتئين ها در عمليات بـيـولـوژي و ارگـان هـاي اصـلـي بـازي ميكند.

 

اين ريزتراشه ها معمولا براي آسيب شناسي انساني در داروشناسي به كار رفته واساس تحقيقات بيولوژي مـحـســوب مــي شــونــد.

 

بــي گـمــان ريـزتـراشـه هـاي پروتيني ، يكي از مهمترين روش هاي ايمني سنجي (immunoassays) و آنتيبادي (anti body) در سطح تشخيصات كلينيكي است.

 

ريزتراشه هاي پروتيني در تشخيص اثردارويي (Drug discovery) و آزمايش مـسـمــومـيــت (toxicological testing) كـاربـردهـاي فراوان دارد

[Adel00 5,292]

ريزتراشه هاي الكترونيكي و الكتروشيميايي

 

electrochemical Chips ِ Electronic

ريزتراشه هاي الكتروني براي رديابي تغييرات در خـــواص الــكــتـــريــكـــي بـــا اســتــفـــاده از پــيـــونــد زنــي 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 تحليل هاي آناليتيك مورد استفاده قرار مي گيرند، از جمله كاربردهاي اين دسته هستند.

 

اصولا، اين حسگرها براي كشف و آشـكــارســازي الـكـتــروشـيـمـيــايــي فـعــال ازجـمـلـه رنگ‌هاي آلي (organic dyes)، تركيبات فلزي، آنزيم ها يا نانوذرات فلزي مناسب هستند .

 

براي اين دسته سه گروه فعاليت و كاربرد در نظر گرفته مي شود:

 

1)اندازه گيري جريان (amperometry): كه براي اندازه گيري ميزان جريان الكتريكي در نرخ انتقال الكترون در فرايند هاي اكسايش - كاهش به كار مي رود.

 

2)اندازه گيري پتانسيل (potentiometry): كه براي اندازه گيري ميزان تغييرات پتانسيل در الكترود ها با توجه به يون ها واكنش هاي شيميايي داخلي به كار مي رود.

 

3)انـدازه گـيـري نـارسـانـايـي (impedimetry): كـه بـراي انـدازه گيري ميزان هدايت و رسانندگي در محيط بين دو الكترود اتفاق مي افتد، به كار مي رود.

[Adel00 5,292]

Lab-on-Chip

 

 

 

اصول LOC بر اساس تجمع سازي تمامي دستگا هاي ضروري در يك ريزتراشه براي نمايش تركيبات بيوشيمي پيچيده و فرايندهاي شيميايي (كه معمولا با حجم زياد تجهيزات آزمايشگاهي انجام شده) است.

 

درساختار LOC ها، كانال هاي كم عرض، پمپ ها، اتاقك هاي سخت با دستگاه هاي الكتروني و نوري، حسگرها و محرك ها براي اجراي مراحل چندگانه برنامه ها مي تواند وجود داشته باشد.

 

گستره فعاليت و كاربرد اين ريزتراشه زيستي ، در تمامي فضاهاي كاري ريز اندازه از پروتئين شناسي و ژنتيك تا اطلاعات زيستي است .

[Adel00 5,292]

سيستم مرتب سازي سلولي Cell sorting system

براي كشف و آشكارسازي سلول از دو روش مرتب سازي و شمارش سلولي استفاده مي شود.

روش مبتني بر LOC داراي قابليت تكثيرپذيري و تفكيك پذيري مناسب در ابعاد سلولي با قطر 6/0ميكرو متر است. بيشترين تمركز كاري بر روي جايگزيني مرسوم اتاقك سيال با دستگاه هايي با ابعاد كوچك (ريزتوليدات) است.

 

ازاين‌رو سلول ها، ذرات و معرف ها مي توانند به وسيله فشار، حركت ذرات معلق نارسنا بر اثر جريان و نفوذپذير الكتريكي دستكاري شوند.

 

آناليز شميايي و زيستي (Chemical and biological analysis)

ريزتراشه هاي زيستي كه مبناي آناليز هاي شيميايي اند شامل تحليل روند تزريق(FIA) و نيز تحليل مولكول هاي زيستي است.

 

رنگ نگاري گازي و مايعي (LC ، GC ) و نيز الكتروفورز مويين (capillary electrophoresis) از جمله اين روش ها در آزمايشگاه ها است.

[Adel00 5,292]

نتيجه گيري و جمع بندي

اگرچه ريزتراشه ها امروزه به صورت اخبار در مجلات و رسانه ها بازگو مي شود ولي نياز به تبيين ساختار و عملكرد آن ها امري ضروري است تا از يك سو به قابليت ها و توانايي و نيز معايب و نواقص آن ها پرداخته شود و از سوي ديگر ايده مناسبي جهت استفاده يا توليد آن ها در امور پژوهشي و درماني به كار رود.

 

در هر صورت آنچه در اين مقاله بيان شد تنها گوشه اي از پهنه كاربرد و تنوع ريزتراشه هاي زيستي است كه هركدام سرفصل مطالبي مفصل هستند كه در يك مقاله نمي گنجد.

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 Huangxian Ju 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.

 

منبع: نشریه مهندسی پزشکی شماره 112.

 

عکس ها و گردآوری : Adel00

[مجید بهره مند 43,111]

خیلی جالب بود ممنون از دعوتت