میکروچیپ‌هایی که کرونا و آنفولانزا را از سرفه تشخیص می‌دهند: انقلابی در تشخیص بیماری

اهمیت بی‌نظیرِ تست‌های تشخیصیِ خانگی توی دنیای امروز

تو این دنیایی که با تهدیدهای بهداشتیِ زیادی دست‌وپنجه نرم می‌کنه، مثل ویروس‌های سریع‌الانتشار، بیماری‌های مزمن و باکتری‌های مقاوم به دارو، نیاز به تست‌های تشخیصی خانگیِ فوری، مطمئن و راحت‌تر از همیشه حس می‌شه. یه لحظه تصور کنید آینده‌ای رو که توش این تست‌ها می‌تونن تو هر جا و توسط هر کسی، با یه وسیله‌ی کوچیک مثل ساعت هوشمند انجام بشن. برای رسیدن به این هدف، ما به میکروچیپ‌هایی نیاز داریم که بتونن حتی کمترین مقدارِ ویروس یا باکتری رو تو هوا تشخیص بدن.

تحقیقات جدید در زمینه‌ی میکروچیپ‌ها

تحقیقات تازه‌ی محققانِ دانشگاه NYU Tandon، از جمله دکتر داوود شهرجردی، استاد مهندسی برق و کامپیوتر؛ دکتر الیزا ریدو، استاد هَرمَن اِف مارک در مهندسی شیمی و بیومولکُولی؛ و دکتر جُزِپه دِ پِپّو، استاد همکار در مهندسی شیمی و بیومولکولی (که قبلاً با Mirimus همکاری داشت)، نشون می‌ده که می‌شه میکروچیپ‌هایی ساخت که نه‌تنها می‌تونن چند تا بیماری رو از روی یه سرفه یا نمونه‌ی هوا تشخیص بدن، بلکه تولید انبوهشون هم ممکن هست.

دکتر ریدو میگه: “این مطالعه، دیدهای جدیدی رو تو حوزه‌ی زیست‌حسگری باز می‌کنه. میکروچیپ‌ها که ستون فقرات گوشی‌های هوشمند، کامپیوترها و بقیه‌ی وسایل هوشمند هستن، نحوه‌ی ارتباط، سرگرمی و کارِ مردم رو عوض کردن. حالا هم فناوریِ امروز به میکروچیپ‌ها این امکان رو می‌ده که توی حوزه‌ی بهداشت و درمان، از تشخیص‌های پزشکی گرفته تا سلامت محیط، یه انقلاب ایجاد کنن.”

دکتر شهرجردی هم اضافه می‌کنه: “فناوری جدیدی که تو این مقاله معرفی شده، از ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) استفاده می‌کنه؛ یعنی حسگرهای الکترونیکیِ کوچکی که مستقیماً علائم بیولوژیکی رو شناسایی می‌کنن و اون‌ها رو به سیگنال‌های دیجیتالی تبدیل می‌کنن. این جایگزینی برای تست‌های شیمیایی بر پایه‌ی رنگ‌های سنتی مثل تست‌های بارداری خانگیه.” و ادامه می‌ده که “این روش پیشرفته، نتایج سریع‌تر، تست همزمان چندتا بیماری و انتقال فوری اطلاعات به کادر درمان رو ممکن می‌کنه.” دکتر شهرجردی همچنین مدیر مرکز نانوساخت NYU هست، جایی که بعضی از چیپ‌های مورد استفاده تو این مطالعه اونجا ساخته شدن. دکتر ریدو و دکتر شهرجردی، مدیرای مشترک ابتکار NanoBioX تو NYU هم هستن.

ترانزیستورهای اثر میدانی و کاربردهاشون

ترانزیستورهای اثر میدانی، که جزء جدایی‌ناپذیرِ الکترونیکِ مدرن هستن، تو این جستجو برای ابزارهای تشخیصی، نقش‌های مهمی پیدا کردن. این دستگاه‌های کوچولو می‌تونن جوری تنظیم بشن که به عنوان بیوسنسور عمل کنن و عوامل بیماری‌زا یا نشانگرهای خاص رو توی لحظه‌ی واقعی شناسایی کنن، بدون نیاز به برچسب‌های شیمیایی یا روش‌های آزمایشگاهیِ طولانی. بیوسنسورهای مبتنی بر FET با تبدیل تعاملات بیولوژیکی به سیگنال‌های الکتریکیِ قابل اندازه‌گیری، یه پلتفرم سریع و چندمنظوره برای تشخیص فراهم می‌کنن.

پیشرفت‌های اخیر، توانایی شناساییِ بیوسنسورهای FET رو به سطوح خیلی ریز – تا غلظت‌های فِمتومولار، یا یک کوادریلیونم مول – افزایش داده، با استفاده از مواد نانومقیاس مثل نانوسیم‌ها، اکسید ایندیم و گرافن. با این حال، با وجود این پتانسیل، سنسورهای مبتنی بر FET هنوز با چالش‌های بزرگی روبرو هستن: اون‌ها تو شناسایی همزمان چندتا عامل بیماری‌زا یا نشانگر روی یه چیپ واحد مشکل دارن. روش‌های فعلی برای شخصی‌سازی این سنسورها، مثل ریختن بیورسِپتورها مثل آنتی‌بادی‌ها روی سطح FETها، دقت و مقیاس‌پذیریِ لازم برای انجام کارهای تشخیصیِ پیچیده‌تر رو ندارن.

تحقیقات جدید در حوزه‌ی حسگرهای بیولوژیکی

برای حل این مشکل، محققان دارن روش‌های جدیدی رو بررسی می‌کنن تا سطوح ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) رو تغییر بدن، به‌طوری‌که هر ترانزیستور روی یه چیپ بتونه برای شناسایی یه بیومارکر خاص تنظیم بشه. این کار، شناسایی همزمان چندتا عامل بیماری‌زا رو ممکن می‌کنه. تو همین راستا، لیتوگرافی پَروب حرارتی (tSPL) به‌عنوان یه فناوری نوآورانه مطرح شده که شاید بتونه کلیدِ حل این موانع باشه.

این تکنیک، به ما اجازه می‌ده که الگوهای شیمیایی دقیقی رو روی یه چیپ که با پلیمر پوشیده شده، ایجاد کنیم و این‌طوری، عملکرد هرکدوم از FETها رو با بیورسِپتورهای مختلفی مثل آنتی‌بادی‌ها یا آپتامرها با دقتِ ۲۰ نانومتر تنظیم کنیم. این دقت با اندازه‌ی کوچیکِ ترانزیستورها توی چیپ‌های پیشرفته‌ی امروزی هم‌خوانی داره. با این امکان که بتونیم تغییرات خیلی انتخابی رو تو هر ترانزیستور ایجاد کنیم، این روش درهای جدیدی رو برای توسعه‌ی حسگرهای مبتنی بر FET باز می‌کنه که می‌تونن انواع مختلفِ عوامل بیماری‌زا رو روی یه چیپ شناسایی کنن، با یه حساسیت بی‌نظیر.

دکتر ریدو، که تو توسعه و گسترش فناوری tSPL نقش مهمی داشته، استفاده از این فناوری رو به‌عنوان یه نمونه‌ی دیگه از روش‌های نوآورانه‌ای می‌دونه که این تکنیکِ نانوساخت می‌تونه تو کاربردهای عملی داشته باشه. او می‌گه: “tSPL، که الان به‌عنوان یه فناوری لیتوگرافیِ تجاری در دسترسه، برای عملکرد‌ی کردن هر FET با بیورسِپتورهای مختلف به منظور رسیدن به چندگانگی، کلیدی بوده.”

تو آزمایش‌ها، حسگرهای FET که با استفاده از tSPL عملکردی شده‌بودن، عملکرد فوق‌العاده‌ای از خودشون نشون دادن و تونستن غلظت‌های خیلی پایینِ ۳ آتومول (aM) از پروتئین‌های اسپایک SARS-CoV-2 و همچنین فقط ۱۰ ذره‌ی ویروس زنده در هر میلی‌لیتر رو شناسایی کنن، در حالی که به‌طور موثری انواع مختلفی از ویروس‌ها، از جمله آنفولانزای A رو از هم تشخیص می‌دادن. تواناییِ شناساییِ قابل اطمینانِ این مقدار کم از عوامل بیماری‌زا با دقت بالا، یه قدم مهم به سمت ساخت دستگاه‌های تشخیصیِ قابل حمل هست که شاید یه روز توی محیط‌های مختلف، از بیمارستان‌ها گرفته تا خونه‌ها، استفاده بشن.

این مطالعه، که الان توسط انجمن سلطنتی شیمی توی مجله‌ی Nanoscale چاپ شده، با حمایت شرکت بیوتکنولوژی Mirimus که تو بروکلین هست و شرکت چندملیتی LendLease که دفترش تو استرالیاست، انجام شده. اون‌ها دارن با تیم NYU Tandon همکاری می‌کنن تا دستگاه‌های پوشیدنی و خانگی برای شناسایی بیماری بسازن.

پِرِم پِرمِسیِروت، رئیس و مدیرعامل Mirimus، میگه: “این تحقیق، قدرت همکاری بین صنعت و دانشگاه رو نشون می‌ده و نشون میده که چطور می‌تونه چهره‌ی پزشکیِ مدرن رو تغییر بده.” اون همچنین اضافه کرد: “محققان NYU Tandon دارن کارهایی رو انجام می‌دن که تو آینده‌ی شناسایی بیماری‌ها نقش بزرگی خواهد داشت.”

آلبرتو سانجیوانی وینچنتلی از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، که یکی از همکاران این پروژه هست، میگه: “شرکت‌هایی مثل LendLease و بقیه‌ی توسعه‌دهنده‌هایی که تو نوسازی شهری درگیر هستن، دنبال راه‌حل‌های نوآورانه‌ای مثل این هستن تا بتونن تهدیدهای بیولوژیکی تو ساختمون‌ها رو شناسایی کنن.” اون همچنین اضافه کرد: “اقدامات دفاع زیستی مثل این، یه لایه‌ی جدید از زیرساخت برای ساختمون‌های آینده خواهد بود.”

با ادامه‌ی پیشرفت تو تولید نیمه‌هادی‌ها و ادغام میلیاردها FET تو مقیاس نانو روی میکروچیپ‌ها، پتانسیل استفاده از این چیپ‌ها تو کاربردهای بیوسنسینگ داره بیشتر و بیشتر می‌شه. یه روشِ جهانی و مقیاس‌پذیر برای عملکردی کردنِ سطوح FET با دقت نانو می‌تونه به ساخت ابزارهای تشخیصیِ پیشرفته‌ای منجر بشه که می‌تونن چندتا بیماری رو تو زمان واقعی، با سرعتی که می‌تونه پزشکیِ مدرن رو متحول کنه، شناسایی کنن.