طراحی یک حسگر جدید برای تشخیص زودهنگام سرطان

به گزارش روابط پایگاه اطلاع رسانی علوم آزمایشگاهی ایران، تیمی تحت رهبری MIT با الهام از سیستم های حسی طبیعی، حسگر جدیدی طراحی کرده اند که می تواند همان مولکول هایی را که گیرنده های سلولی طبیعی می توانند شناسایی کنند، شناسایی کند.

در کاری که چندین فناوری جدید را ترکیب می کند، محققان نمونه اولیه حسگری را ایجاد کردند که می تواند یک مولکول ایمنی به نام CXCL12 را تا ده ها یا صدها قسمت در میلیارد تشخیص دهد. به گفته محققان، این اولین گام مهم برای توسعه سیستمی است که می تواند برای انجام غربالگری های معمولی برای سرطان های غیرقابل تشخیص یا تومورهای متاستاتیک یا به عنوان یک highly biomimetic electronic nose استفاده شود.

شوگوانگ ژانگ، دانشمند پژوهشی اصلی در آزمایشگاه رسانه MIT، می گوید: امید ما این است که یک دستگاه ساده بسازیم که به شما امکان می دهد تست های خانگی را با ویژگی و حساسیت بالا انجام دهید. هر چه زودتر سرطان را تشخیص دهید، درمان بهتر است، بنابراین تشخیص زودهنگام سرطان یکی از حوزه های مهمی است که ما می خواهیم وارد آن شویم.

این دستگاه از غشایی که همه سلول ها را احاطه کرده است الهام می گیرد. در چنین غشایی هزاران پروتئین گیرنده وجود دارند که مولکول های موجود در محیط را شناسایی می کنند. تیم MIT برخی از این پروتئین ها را به گونه ای اصلاح کرد که بتوانند در خارج از غشاء زنده بمانند و آنها را در لایه ای از پروتئین های متبلور در بالای مجموعه ای از ترانزیستورهای گرافن لنگر انداختند. هنگامی که مولکول هدف در یک نمونه شناسایی می شود، این ترانزیستورها اطلاعات را به رایانه یا گوشی هوشمند منتقل می کنند.

به گفته محققان، این نوع حسگر به طور بالقوه می تواند برای تجزیه و تحلیل مایعات بدن مانند خون، اشک یا بزاق سازگار باشد و بسته به نوع پروتئین گیرنده مورد استفاده، می تواند اهداف مختلف را به طور همزمان بررسی کند.

Rui Qing، دانشمند تحقیقاتی سابق MIT که اکنون دانشیار دانشگاه Shanghai Jiao است، می گوید: ما گیرنده های حیاتی را از سیستم های بیولوژیکی شناسایی می کنیم و آن ها را روی یک رابط بیوالکترونیکی متصل می کنیم، و به ما این امکان را می دهد که همه آن سیگنال های بیولوژیکی را جمع آوری کرده و سپس آنها را به خروجی های الکتریکی تبدیل کنیم که می توانند توسط الگوریتم های یادگیری ماشینی تجزیه و تحلیل و تفسیر شوند.

Qing و Mantian Xue Ph.D، نویسندگان اصلی این مطالعه هستند که در Science Advances ظاهر می شود. همراه با ژانگ، توماس پالاسیوس، مدیر آزمایشگاه میکروسیستم های MIT و استاد مهندسی برق و علوم کامپیوتر، و اووه اسلیتر، استاد بازنشسته در موسسه زیست معماری مصنوعی در دانشگاه منابع طبیعی و علوم زیستی در وین، نویسندگان ارشد این مقاله هستند.

ژانگ و اسلیتر، که همکاران قدیمی هستند، تصمیم گرفتند با همکاری یکدیگر سعی کنند نسخه های محلول در آب پروتئین های گیرنده را با استفاده از پروتئین های باکتریایی که Sleytr سال ها مطالعه کرده است، به یک سطح متصل کنند. این پروتئین ها که به عنوان پروتئین های لایه S شناخته می شوند، به عنوان بیرونی ترین لایه سطحی پوشش سلولی در بسیاری از انواع باکتری ها و باستانی ها یافت می شوند.

هنگامی که پروتئین های لایه S متبلور می شوند، آرایه های تک مولکولی منسجم را روی یک سطح تشکیل می دهند. اسلیتر قبلا نشان داده بود که این پروتئین ها را می توان با پروتئین های دیگر مانند آنتی بادی ها یا آنزیم ها ترکیب کرد.

برای این مطالعه، محققان، از جمله دانشمند ارشد آندریاس بریتویزر، که همچنین یکی از نویسندگان مقاله است، از پروتئین های لایه S برای ایجاد یک صفحه بسیار متراکم و بی حرکت از یک نسخه محلول در آب از پروتئین گیرنده به نام CXCR4 استفاده کردند. این گیرنده به یک مولکول هدف به نام CXCL12 که نقش مهمی در چندین بیماری انسانی از جمله سرطان دارد و به گلیکوپروتئین پوشش HIV که مسئول ورود ویروس به سلول های انسانی است، متصل می شود.

اسلیتر می گوید: ما از این سیستم های لایه S استفاده می کنیم تا به همه این مولکول های عملکردی اجازه دهیم به یک سطح در یک آرایه تک مولکولی، در یک توزیع و جهت گیری کاملاً مشخص، متصل شوند. این مانند یک صفحه شطرنج است که می توانید مهره های مختلف را به شیوه ای بسیار دقیق بچینید.

محققان فناوری سنجش خود را RESENSA (آرایه نانو حسگر الکتریکی گیرنده S-layer) نامیدند.

این لایه های S متبلور شده را می توان تقریباً بر روی هر سطحی رسوب داد. برای این کاربرد، محققان لایه S را به تراشه ای با آرایه های ترانزیستوری مبتنی بر گرافن که قبلاً آزمایشگاه Palacios توسعه داده بود، متصل کردند. ضخامت تک اتمی ترانزیستورهای گرافن آنها را برای توسعه آشکارسازهای بسیار حساس ایده آل می کند.

ژو که در آزمایشگاه Palacios کار می کرد، تراشه را به گونه ای تطبیق داد که بتوان آن را با یک لایه دوگانه پروتئین پوشاند - پروتئین های لایه S متبلور شده متصل به پروتئین های گیرنده محلول در آب. هنگامی که یک مولکول هدف از نمونه به پروتئین گیرنده متصل می شود، بار هدف، خواص الکتریکی گرافن را به گونه ای تغییر می دهد که می توان به راحتی کمی آن را تعیین کرد و به رایانه یا تلفن هوشمند متصل به تراشه منتقل کرد.

ژیو می گوید: ما گرافن را به عنوان ماده مبدل انتخاب کردیم زیرا خواص الکتریکی عالی دارد، به این معنی که می تواند آن سیگنال ها را بهتر ترجمه کند. بالاترین نسبت سطح به حجم را دارد، زیرا ورقه ای از اتم های کربن است، بنابراین هر تغییر روی سطح، ناشی از رویدادهای اتصال پروتئین، مستقیماً به کل ماده ترجمه می شود.

تراشه ترانزیستور گرافن را می توان با پروتئین های گیرنده لایه S با تراکم 1 تریلیون گیرنده در سانتی متر مربع با جهت رو به بالا پوشاند. این به تراشه اجازه می دهد تا از حداکثر حساسیت ارائه شده توسط پروتئین های گیرنده، در محدوده بالینی مرتبط برای آنالیت های هدف در بدن انسان، استفاده کند.

به گفته محققان، این تراشه آرایه بیش از 200 دستگاه را ادغام می کند و یک افزونگی در تشخیص سیگنال ارائه می کند که به اطمینان از اندازه گیری های قابل اعتماد حتی در مورد مولکول های کمیاب، مانند مولکول هایی که می توانند حضور تومور در مراحل اولیه یا شروع بیماری آلزایمر را نشان دهند، کمک می کند.

به گفته محققان، به لطف استفاده از کد QTY، می توان پروتئین های گیرنده طبیعی موجود را تغییر داد که می توان از آنها برای تولید مجموعه ای از حسگرها در یک تراشه استفاده کرد تا تقریباً هر مولکولی را که سلول ها می توانند تشخیص دهند، نمایش دهند. چینگ می گوید: هدف ما این است که فناوری پایه را توسعه دهیم تا یک دستگاه قابل حمل آینده را فعال کنیم که بتوانیم آن را با تلفن های همراه و رایانه ها ادغام کنیم تا بتوانید آزمایشی را در خانه انجام دهید و به سرعت متوجه شوید که آیا باید به پزشک بروید یا خیر.