تراشه‌های هوشمند برای تشخیص سریع بیماری‌ها

ضرورت تست‌های تشخیصی خانگی در دنیای امروز

در جهانی که با تهدیدات بهداشتی متعددی از جمله ویروس‌های سریع‌الانتشار، بیماری‌های مزمن و باکتری‌های مقاوم به دارو مواجه است، نیاز به تست‌های تشخیصی خانگی سریع، قابل اعتماد و آسان‌تر از همیشه احساس می‌شود. تصور کنید آینده‌ای را که در آن این تست‌ها می‌توانند در هر مکان و توسط هر کسی، با استفاده از دستگاهی به کوچکی ساعت هوشمند، انجام شوند. برای تحقق این هدف، به میکروچیپ‌هایی نیاز داریم که قادر به شناسایی غلظت‌های بسیار کم ویروس‌ها یا باکتری‌ها در هوا باشند.

تحقیقات جدید در زمینه میکروچیپ‌ها

تحقیقات جدیدی از اعضای هیئت علمی دانشگاه NYU Tandon، از جمله داوود شهرجردی، استاد مهندسی برق و کامپیوتر؛ الیزا ریدو، استاد هرمَن اف مارک در مهندسی شیمی و بیومولکولی؛ و جوزپه دِ پپو، استاد همکار 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 قادر به تولید انبوه نیز خواهند بود.

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

شهرجردی نیز می‌افزاید: “فناوری نوآورانه‌ای که در این مقاله به نمایش گذاشته شده است، از ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) استفاده می‌کند – حسگرهای الکترونیکی مینیاتوری که به‌طور مستقیم نشانگرهای بیولوژیکی را شناسایی کرده و آن‌ها را به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌کنند – که به عنوان جایگزینی برای تست‌های شیمیایی مبتنی بر رنگ سنتی مانند تست‌های بارداری خانگی عمل می‌کند.” 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 مرکز نانو ساخت NYU است، یک مرکز پیشرفته که برخی از چیپ‌های مورد استفاده در این مطالعه در آنجا ساخته شده‌اند. ریدو و شهرجردی همچنین مدیران مشترک ابتکار NanoBioX در NYU هستند.

ترانزیستورهای اثر میدانی و کاربردهای آن‌ها

ترانزیستورهای اثر میدانی، که جزء جدایی‌ناپذیر الکترونیک مدرن هستند، به عنوان ابزارهای قدرتمند در این جستجو برای ابزارهای تشخیصی ظاهر شده‌اند. این دستگاه‌های کوچک می‌توانند به‌گونه‌ای تنظیم شوند که به عنوان بیوسنسور عمل کنند و پاتوژن‌ها یا نشانگرهای خاص را در زمان واقعی 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 کوچک – تا غلظت‌های فمتومولار، یا یک کوادریلیونم مول – افزایش داده است، 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 واحد مشکل دارند. روش‌های فعلی برای سفارشی‌سازی این سنسورها، مانند ریختن بیورسپتورها مانند آنتی‌بادی‌ها بر روی سطح FET، دقت و مقیاس‌پذیری لازم برای انجام وظایف تشخیصی پیچیده‌تر را ندارند.

تحقیقات جدید در زمینه حسگرهای بیولوژیکی

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

این تکنیک اجازه می‌دهد تا الگوهای شیمیایی دقیقی روی یک چیپ پوشش داده شده با پلیمر ایجاد شود و به این ترتیب، عملکرد هر یک از FETها با بیورسپتورهای مختلفی مانند آنتی‌بادی‌ها یا آپتامرها با دقتی برابر با ۲۰ نانومتر تنظیم شود. این دقت با اندازه کوچک ترانزیستورها در چیپ‌های پیشرفته امروزی هم‌تراز است. با امکان ایجاد تغییرات بسیار انتخابی در هر ترانزیستور، این روش درهای جدیدی را برای توسعه حسگرهای مبتنی بر FET که می‌توانند انواع مختلفی از پاتوژن‌ها را روی یک چیپ شناسایی کنند، با حساسیت بی‌نظیر باز می‌کند.

ریدیو، که در توسعه و گسترش فناوری tSPL نقش بسزایی داشته، استفاده از این فناوری را به عنوان شاهدی دیگر بر شیوه‌های نوآورانه‌ای که این تکنیک نانو ساخت در کاربردهای عملی می‌تواند داشته باشد، می‌داند. او می‌گوید: “tSPL، که اکنون به عنوان یک فناوری لیتوگرافی تجاری در دسترس است، کلیدی برای عملکردی کردن هر FET با بیورسپتورهای مختلف به منظور دستیابی به چندگانه‌سازی بوده است.”

در آزمایش‌ها، حسگرهای FET که با استفاده از tSPL عملکردی شده‌اند، عملکرد شگفت‌انگیزی از خود نشان داده و توانسته‌اند غلظت‌های بسیار کم ۳ آتومول (aM) از پروتئین‌های اسپایک SARS-CoV-2 و همچنین تنها ۱۰ ذره ویروس زنده در هر میلی‌لیتر را شناسایی کنند، در حالی که به طور مؤثر انواع مختلف ویروس‌ها، از جمله آنفولانزا A را از یکدیگر تمییز می‌دهند. توانایی شناسایی قابل اعتماد چنین مقادیر کمی از پاتوژن‌ها با دقت بالا، گام مهمی به سوی 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 توسط انجمن سلطنتی شیمی در نشریه Nanoscale منتشر شده، 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 شناسایی بیماری هستند.

پرِم پرمسیروت، رئیس و مدیرعامل Mirimus، می‌گوید: “این تحقیق قدرت همکاری بین صنعت و دانشگاه را به نمایش می‌گذارد و نشان می‌دهد که چگونه می‌تواند چهره پزشکی مدرن را تغییر دهد.” او همچنین افزود: “محققان NYU Tandon در حال تولید کارهایی هستند که نقش بزرگی در آینده شناسایی بیماری‌ها ایفا خواهد کرد.”

آلبرتو سانجیوانی وینچنتلی از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، که یکی از همکاران این پروژه است، می‌گوید: “شرکت‌هایی مانند LendLease و سایر توسعه‌دهندگان درگیر در نوسازی شهری به دنبال راه‌حل‌های نوآورانه‌ای مانند این برای شناسایی تهدیدات بیولوژیکی در ساختمان‌ها هستند.” او همچنین افزود: “اقدامات دفاع زیستی مانند این، لایه‌ای جدید از زیرساخت برای ساختمان‌های آینده خواهد بود.”

با ادامه پیشرفت در تولید نیمه‌هادی‌ها و ادغام میلیاردها FET در مقیاس نانو بر روی میکروچیپ‌ها، پتانسیل استفاده از این چیپ‌ها در کاربردهای بیوسنسینگ به طور فزاینده‌ای ممکن می‌شود. یک روش جهانی و مقیاس‌پذیر برای عملکردی کردن 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 باشد که می‌تواند پزشکی مدرن را متحول کند.