آزمایش خونگی آینده: چیپ‌های نانویی که بیماری‌ها رو از سرفه تشخیص میدن!

آزمایش‌های خونگیِ تشخیصی: یه پیش‌بینی روشن از سلامت

دنیایی که الان توشیم، با تهدیدهای سلامتیِ زیادی روبه‌روئه—از ویروس‌های سریع‌الانتشار گرفته تا بیماری‌های مزمن و باکتری‌هایی که به داروها مقاوم شدن—نیاز به آزمایش‌های تشخیصی خونگی سریع، قابل اعتماد و راحت‌تر از همیشه احساس می‌شه. یه آینده رو تصور کنین که توش این آزمایش‌ها رو می‌شه هر جا و توسط هر کسی انجام داد، فقط با یه دستگاه کوچیک و قابل حمل مثل ساعت هوشمند خودتون. برای این‌که این اتفاق بیفته، به میکروچیپ‌هایی احتیاج داریم که بتونن کمترین غلظت ویروس‌ها یا باکتری‌ها رو تو هوا تشخیص بدن.

تحقیقات جدیدی که توسط 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 تو Mirimus فعالیت می‌کرد، انجام شده، نشون می‌ده که امکان توسعه و ساخت میکروچیپ‌هایی وجود داره که نه تنها می‌تونن چند تا بیماری رو از یه سرفه یا نمونه هوا تشخیص بدن، بلکه قابلیت تولید تو مقیاس بزرگ رو هم دارن.

خانم ریدو می‌گه: “این مطالعه یه دید جدید تو زمینه بیوسنسینگ باز می‌کنه. میکروچیپ‌ها، که مثل ستون فقرات گوشی‌های هوشمند، کامپیوترها و بقیه دستگاه‌های هوشمند هستن، روش ارتباط، سرگرمی و کار مردم رو عوض کردن. حالا هم، تکنولوژی امروزی به میکروچیپ‌ها این قدرت رو می‌ده که تو بهداشت و درمان انقلابی به پا کنن، از تشخیص‌های پزشکی گرفته تا سلامت محیط‌زیست.”

آقای شهرجردی اضافه می‌کنه: “تکنولوژی نوآورانه‌ای که تو این مقاله نشون داده شده، از ترانزیستورهای اثر میدانی (FETs) استفاده می‌کنه—حسگرهای الکترونیکی کوچیکی که به‌طور مستقیم نشانگرهای بیولوژیکی رو تشخیص می‌دن و اون‌ها رو تبدیل به سیگنال‌های دیجیتال می‌کنن—که یه جایگزین عالی برای آزمایش‌های شیمیایی سنتی مثل آزمایش‌های بارداری خونگی هستن.” او همچنین اشاره می‌کنه که “این روش پیشرفته، امکان این رو می‌ده که نتایج سریع‌تر، آزمایش هم‌زمان چند بیماری، و انتقال فوری اطلاعات به پزشک‌ها و مراکز درمانی فراهم بشه.” شهرجردی همچنین مدیر اتاق تمیز نانوساخت دانشگاه NYU هستش، جایی که بعضی از چیپ‌های استفاده شده تو این تحقیق اونجا ساخته شدن. ریدو و شهرجردی، هر دو مدیرای مشترک ابتکار NanoBioX دانشگاه NYU هستن.

قدرت ترانزیستورهای اثر میدانی تو تشخیص بیماری‌ها

ترانزیستورهای اثر میدانی که یه بخش جدا نشدنی از الکترونیک مدرن هستن، به عنوان ابزارهای قدرتمندی تو این مسیر برای پیدا کردن ابزارهای تشخیصی ظاهر شدن. این دستگاه‌های کوچیک رو می‌شه طوری تنظیم کرد که به عنوان بیوسنسور کار کنن و پاتوژن‌ها یا نشانگرهای خاص رو فوراً شناسایی کنن، بدون این‌که نیازی به برچسب‌های شیمیایی یا روش‌های آزمایشگاهی طولانی باشه. با تبدیل تعاملات بیولوژیکی به سیگنال‌های الکتریکی که می‌شه اندازه‌گیریشون کرد، بیوسنسورهای مبتنی بر FET یه پلتفرم سریع و چندکاره برای تشخیص فراهم می‌کنن.

پیشرفت‌های اخیر، توانایی‌های شناسایی بیوسنسورهای FET رو به سطوح خیلی کوچیکی رسونده—تا غلظت‌های فمتومولار، یا یه کوادریلیونم مول—با استفاده از مواد نانومقیاس مثل نانوسیم‌ها، اکسید ایندیم و گرافن. ولی با وجود این‌که خیلی پتانسیل دارن، سنسورهای مبتنی بر FET هنوز با چالش‌های بزرگی روبرو هستن: اون‌ها تو شناسایی هم‌زمان چند پاتوژن یا نشانگر تو یه چیپ مشکل دارن. روش‌های فعلی برای سفارشی‌کردن این سنسورها، مثل ریختن بیورسپتورها مثل آنتی‌بادی‌ها روی سطح FET، دقت و مقیاس‌پذیری لازم برای کارهای تشخیصی پیچیده‌تر رو ندارن.

تحول تو تشخیص بیومارکرها با تکنولوژی نوین

برای حل این مشکل، محققان دارن روش‌های جدیدی رو بررسی می‌کنن تا سطوح ترانزیستورهای اثر میدان (FET) رو تغییر بدن تا هر ترانزیستور تو یه تراشه بتونه برای شناسایی یه بیومارکر خاص طراحی بشه. این باعث می‌شه که امکان تشخیص هم‌زمان چند پاتوژن فراهم بشه. تو این راستا، تکنولوژی لیتوگرافی پروب حرارتی (tSPL) به عنوان یه تکنولوژی پیشرفته مطرح شده که شاید کلید حل این مشکلات باشه.

این تکنیک، امکان الگوبرداری شیمیایی دقیق یه تراشه رو که با پلیمر پوشش داده شده فراهم می‌کنه و به ما اجازه می‌ده که FETهای جداگانه رو با بیورسپتورهای مختلف، مثل آنتی‌بادی‌ها یا آپتومرها، با دقت ۲۰ نانومتر عمل‌آوری کنیم. این دقت با اندازه کوچیک ترانزیستورها تو تراشه‌های نیمه‌هادی پیشرفته امروزی برابری می‌کنه. با اجازه‌دادن به تغییرات انتخابی تو هر ترانزیستور، این روش درهای جدیدی رو به روی توسعه حسگرهای مبتنی بر FET باز می‌کنه که می‌تونن انواع مختلفی از پاتوژن‌ها رو تو یه تراشه واحد با حساسیت بی‌نظیری تشخیص بدن.

خانم ریدو، که تو توسعه و گسترش تکنولوژی tSPL نقش مهمی داشته، استفاده از این تکنولوژی رو یه دلیل دیگه برای نوآوری‌های این تکنیک نانوفبریشن تو کاربردهای عملی می‌دونه. اون می‌گه: “tSPL که الان یه تکنولوژی لیتوگرافی تجاری شده، برای عمل‌آوری هر FET با بیورسپتورهای مختلف برای رسیدن به چندگانه‌سازی، خیلی مهم بوده.”

تو آزمایش‌ها، حسگرهای FET که با استفاده از tSPL عمل‌آوری شدن، عملکرد فوق‌العاده‌ای رو نشون دادن و تونستن غلظت‌های خیلی کم ۳ آتومول (aM) از پروتئین‌های اسپایک SARS-CoV-2 و فقط ۱۰ ذره ویروس زنده تو هر میلی‌لیتر رو شناسایی کنن، در حالی که به‌طور مؤثری انواع مختلف ویروس‌ها، از جمله آنفولانزا A، رو هم از هم تشخیص می‌دن. توانایی شناسایی مطمئن این مقادیر کم از پاتوژن‌ها با دقت زیاد، یه گام مهم تو ایجاد دستگاه‌های تشخیصی قابل حمله که ممکنه یه روز تو محیط‌های مختلف، از بیمارستان‌ها تا خونه‌ها، استفاده بشن.

این تحقیق که الان تو نشریه Nanoscale از طرف انجمن سلطنتی شیمی منتشر شده، توسط شرکت بیوتکنولوژی Mirimus که تو بروکلین مستقره و شرکت چندملیتی LendLease که تو استرالیا مستقره، حمایت شده. اون‌ها با تیم NYU Tandon برای توسعه دستگاه‌های پوشیدنی و خونگی برای تشخیص بیماری همکاری می‌کنن.

پرم پرمسریوت، رئیس و مدیرعامل Mirimus می‌گه: “این تحقیق قدرت همکاری بین صنعت و دانشگاه رو نشون می‌ده و این‌که چطوری می‌تونه چهره پزشکی مدرن رو عوض کنه.” اون ادامه می‌ده: “محققان NYU Tandon دارن کارهایی تولید می‌کنن که نقش بزرگی تو آینده تشخیص بیماری خواهند داشت.”

آلبرتو سانجیوانی وینچنتلی از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی که تو این پروژه همکاری داره، می‌گه: “شرکت‌هایی مثل LendLease و بقیه توسعه‌دهنده‌ها که تو نوسازی شهری درگیرن، دنبال راه‌حل‌های نوآورانه‌ای مثل این هستن تا تهدیدهای بیولوژیکی رو تو ساختمون‌ها شناسایی کنن. اقدامات دفاعی بیولوژیکی مثل این، یه لایه جدید تو زیرساخت‌های ساختمون‌های آینده خواهد بود.”

با ادامه پیشرفت تو تولید نیمه‌هادی‌ها و ترکیب میلیاردها FET تو مقیاس نانو روی میکروچیپ‌ها، پتانسیل استفاده از این تراشه‌ها تو کاربردهای بیوسنسینگ داره بیشتر تحقق پیدا می‌کنه. یه روش جهانی و مقیاس‌پذیر برای عمل‌آوری سطوح FET با دقت نانو می‌تونه منجر به ایجاد ابزارهای تشخیصی پیشرفته‌ای بشه که قادر به شناسایی چند بیماری تو زمان واقعی با سرعت و دقتی باشن که ممکنه پزشکی مدرن رو متحول کنه.