تراشه‌های هوشمند: انقلاب جدید در تشخیص بیماری‌ها

آزمایش‌های تشخیصی خانگی: آینده‌ای روشن در دنیای سلامت

در دنیایی که با تهدیدات متعددی در زمینه سلامت مواجه است – از ویروس‌های سریع‌الانتشار گرفته تا بیماری‌های مزمن و باکتری‌های مقاوم به دارو – نیاز به آزمایش‌های تشخیصی خانگی سریع، قابل اعتماد و آسان‌تر از همیشه احساس می‌شود. تصور کنید آینده‌ای را که در آن این آزمایش‌ها می‌توانند در هر مکان و توسط هر کسی، با استفاده از دستگاهی کوچک و قابل حمل مانند ساعت هوشمند شما انجام شوند. برای تحقق این امر، به میکروچیپ‌هایی نیاز است که قادر به شناسایی غلظت‌های بسیار کم ویروس‌ها یا باکتری‌ها در هوا باشند.

تحقیقات جدیدی از اعضای هیئت علمی دانشگاه NYU Tandon، از جمله پروفسور داوود شهرجردی، استاد مهندسی برق و کامپیوتر؛ پروفسور الیسا ریدو، استاد هرمَن اف. مارک در مهندسی شیمی و بیومولکولی؛ و جوزپه دِ پپو، استاد همکار صنعت در مهندسی شیمی و بیومولکولی، که قبلاً در Mirimus فعالیت می‌کرد، نشان می‌دهد که امکان توسعه و ساخت میکروچیپ‌هایی وجود دارد که نه تنها می‌توانند چندین بیماری را از یک سرفه یا نمونه هوا شناسایی کنند، بلکه قابلیت تولید در مقیاس بزرگ را نیز دارند.

ریدو می‌گوید: “این مطالعه افق‌های جدیدی در زمینه بیوسنسینگ باز می‌کند. میکروچیپ‌ها، ستون فقرات گوشی‌های هوشمند، کامپیوترها و دیگر دستگاه‌های هوشمند، نحوه ارتباط، سرگرمی و کار مردم را متحول کرده‌اند. به همین ترتیب، فناوری امروز به میکروچیپ‌ها این امکان را می‌دهد که به بهداشت و درمان انقلاب ببخشند، از تشخیص‌های پزشکی گرفته تا سلامت محیطی.”

شهرجردی می‌افزاید: “تکنولوژی نوآورانه‌ای که در این مقاله نشان داده شده است، از ترانزیستورهای اثر میدانی (FETs) استفاده می‌کند – حسگرهای الکترونیکی مینیاتوری که به‌طور مستقیم نشانگرهای بیولوژیکی را شناسایی کرده و آن‌ها را به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌کنند – که جایگزینی برای آزمایش‌های شیمیایی مبتنی بر رنگ سنتی مانند آزمایش‌های بارداری خانگی ارائه می‌دهد.” او همچنین اشاره می‌کند که “این رویکرد پیشرفته امکان ارائه نتایج سریع‌تر، آزمایش همزمان چندین بیماری و انتقال فوری داده‌ها به ارائه‌دهندگان خدمات بهداشتی را فراهم می‌کند.” شهرجردی همچنین مدیر اتاق تمیز نانو ساخت دانشگاه NYU است، یک مرکز پیشرفته که برخی از چیپ‌های استفاده شده در این مطالعه در آنجا ساخته شده‌اند. ریدو و شهرجردی همچنین مدیران مشترک ابتکار NanoBioX دانشگاه NYU هستند.

قدرت ترانزیستورهای اثر میدانی در تشخیص بیماری‌ها

ترانزیستورهای اثر میدانی، که جزء جدایی‌ناپذیر الکترونیک مدرن هستند، به عنوان ابزارهای قدرتمندی در این جستجو برای ابزارهای تشخیصی ظاهر می‌شوند. این دستگاه‌های کوچک می‌توانند به‌گونه‌ای تنظیم شوند که به عنوان بیوسنسور عمل کنند و پاتوژن‌ها یا نشانگرهای خاص را به‌صورت آنی شناسایی کنند، بدون نیاز به برچسب‌های شیمیایی یا روش‌های آزمایشگاهی طولانی. با تبدیل تعاملات بیولوژیکی به سیگنال‌های الکتریکی قابل اندازه‌گیری، بیوسنسورهای مبتنی بر FET یک پلتفرم سریع و چندمنظوره برای تشخیص ارائه می‌دهند.

پیشرفت‌های اخیر قابلیت‌های شناسایی بیوسنسورهای FET را به سطوح بسیار کوچکی رسانده است – تا غلظت‌های فمتومولار، یا یک کوادریلیونم مول – با استفاده از مواد نانو مقیاس مانند نانوسیم‌ها، اکسید ایندیم و گرافن. با این حال، با وجود پتانسیل آن‌ها، سنسورهای مبتنی بر FET هنوز با چالش‌های قابل توجهی مواجه هستند: آن‌ها در شناسایی همزمان چندین پاتوژن یا نشانگر در یک چیپ دچار مشکل هستند. روش‌های فعلی برای سفارشی‌سازی این سنسورها، مانند ریختن بیورسپتورها مانند آنتی‌بادی‌ها بر روی سطح FET، دقت و مقیاس‌پذیری لازم برای وظایف تشخیصی پیچیده‌تر را ندارند.

تحول در تشخیص بیومارکرها با فناوری نوین

برای حل این مشکل، محققان در حال بررسی روش‌های جدیدی برای تغییر سطوح ترانزیستورهای اثر میدان (FET) هستند تا هر ترانزیستور در یک تراشه بتواند برای شناسایی یک بیومارکر خاص طراحی شود. این امر امکان تشخیص همزمان چندین پاتوژن را فراهم می‌کند. در این راستا، فناوری لیتوگرافی پروب حرارتی (tSPL) به عنوان یک فناوری پیشرفته مطرح شده است که ممکن است کلید عبور از این موانع باشد.

این تکنیک امکان الگوگذاری شیمیایی دقیق یک تراشه پوشش‌دار با پلیمر را فراهم می‌کند و به ما اجازه می‌دهد تا FETهای فردی را با بیورسپتورهای مختلف، مانند آنتی‌بادی‌ها یا آپتامرها، با دقتی به اندازه ۲۰ نانومتر عمل‌آوری کنیم. این دقت با اندازه کوچک ترانزیستورها در تراشه‌های نیمه‌هادی پیشرفته امروزی برابری می‌کند. با اجازه دادن به تغییرات انتخابی در هر ترانزیستور، این روش درهای جدیدی را برای توسعه حسگرهای مبتنی بر FET باز می‌کند که می‌توانند انواع مختلفی از پاتوژن‌ها را در یک تراشه واحد با حساسیت بی‌نظیری شناسایی کنند.

ریدو، که در توسعه و گسترش فناوری tSPL نقش بسزایی داشته است، استفاده از این فناوری را دلیلی دیگر بر نوآوری‌های این تکنیک نانوفابریکیشن در کاربردهای عملی می‌داند. او می‌گوید: “tSPL، که اکنون یک فناوری لیتوگرافی تجاری است، کلیدی برای عمل‌آوری هر FET با بیورسپتورهای مختلف به منظور دستیابی به چندگانه‌سازی بوده است.”

در آزمایش‌ها، حسگرهای FET که با استفاده از tSPL عمل‌آوری شده‌اند، عملکرد شگفت‌انگیزی را نشان داده‌اند و توانسته‌اند غلظت‌های بسیار کم ۳ آتومول (aM) از پروتئین‌های اسپایک SARS-CoV-2 و تنها ۱۰ ذره ویروس زنده در هر میلی‌لیتر را شناسایی کنند، در حالی که به طور مؤثری انواع مختلف ویروس‌ها، از جمله آنفولانزا A را از هم تشخیص می‌دهند. توانایی شناسایی قابل‌اعتماد چنین مقادیر کمی از پاتوژن‌ها با دقت بالا، گام مهمی در ایجاد دستگاه‌های تشخیصی قابل حمل است که ممکن است روزی در محیط‌های مختلف، از بیمارستان‌ها تا خانه‌ها، مورد استفاده قرار گیرند.

این مطالعه که اکنون در نشریه Nanoscale از سوی انجمن سلطنتی شیمی منتشر شده است، با حمایت شرکت بیوتکنولوژی Mirimus مستقر در بروکلین و شرکت چندملیتی LendLease مستقر در استرالیا انجام شده است. آن‌ها در حال همکاری با تیم NYU Tandon برای توسعه دستگاه‌های پوشیدنی و خانگی تشخیص بیماری هستند.

پرِم پرمسریوت، رئیس و مدیرعامل Mirimus می‌گوید: “این تحقیق قدرت همکاری بین صنعت و دانشگاه را نشان می‌دهد و اینکه چگونه می‌تواند چهره پزشکی مدرن را تغییر دهد.” او ادامه می‌دهد: “محققان NYU Tandon در حال تولید کارهایی هستند که نقش بزرگی در آینده تشخیص بیماری خواهند داشت.”

آلبرتو سانجیوانی وینچنتلی از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، که در این پروژه همکاری دارد، می‌گوید: “شرکت‌هایی مانند LendLease و دیگر توسعه‌دهندگان درگیر در نوسازی شهری به دنبال راه‌حل‌های نوآورانه‌ای مانند این هستند تا تهدیدات بیولوژیکی را در ساختمان‌ها شناسایی کنند. اقدامات دفاعی بیولوژیکی مانند این، لایه‌ای جدید در زیرساخت‌های ساختمان‌های آینده خواهد بود.”

با ادامه پیشرفت در تولید نیمه‌هادی‌ها و ادغام میلیاردها FET در مقیاس نانو بر روی میکروچیپ‌ها، پتانسیل استفاده از این تراشه‌ها در کاربردهای بیوسنسینگ به طور فزاینده‌ای قابل تحقق است. یک روش جهانی و مقیاس‌پذیر برای عمل‌آوری سطوح FET با دقت نانو می‌تواند به ایجاد ابزارهای تشخیصی پیشرفته‌ای منجر شود که قادر به شناسایی چندین بیماری در زمان واقعی با سرعت و دقتی باشند که ممکن است پزشکی مدرن را متحول کند.