تراشه‌های معجزه‌گر: شناسایی و تشخیص سریع بیماری‌ها

ضرورت تست‌های تشخیصی خانگی در دنیای امروز

در دنیایی که با تهدیدات متعدد بهداشتی از جمله ویروس‌های سریع‌الانتشار، بیماری‌های مزمن و باکتری‌های مقاوم به دارو دست و پنجه نرم می‌کند، 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 اندازه و قابل حمل مانند ساعت هوشمند انجام شوند. برای تحقق این امر، 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 پروفسور داوود شهرجردی، استاد مهندسی برق و کامپیوتر؛ پروفسور الیسا ریدو، استاد هرمَن اف. مارک در مهندسی شیمی و بیومولکولی؛ و جوزپه د پپو، استاد همکار در مهندسی شیمی و بیومولکولی که پیش از این در Mirimus فعالیت داشته است، 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 می‌توانند به صورت انبوه تولید شوند.

پروفسور 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 ما به میکروچیپ‌ها این امکان را می‌دهد که مراقبت‌های بهداشتی را از تشخیص‌های پزشکی تا سلامت محیطی متحول کنند.”

شهرجردی می‌افزاید: “فناوری نوآورانه‌ای که در این مقاله به نمایش گذاشته شده، از ترانزیستورهای اثر میدانی (FETs) استفاده می‌کند – حسگرهای الکترونیکی مینیاتوری که به طور مستقیم نشانگرهای بیولوژیکی را شناسایی کرده و آن‌ها را به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌کنند – که گزینه‌ای برای تست‌های شیمیایی مبتنی بر رنگ سنتی مانند تست‌های بارداری خانگی ارائه می‌دهد.”

شهرجردی، که همچنین مدیر اتاق تمیز نانو ساخت NYU است، یک مرکز پیشرفته که برخی از چیپ‌های مورد استفاده در این مطالعه در آنجا ساخته شده‌اند، ادامه می‌دهد: “این رویکرد پیشرفته امکان دریافت نتایج سریع‌تر، آزمایش همزمان چندین بیماری و انتقال فوری داده‌ها به ارائه‌دهندگان خدمات بهداشتی را فراهم می‌کند.”

پیشرفت‌های جدید در بیوسنسورها

ترانزیستورهای اثر میدانی، که جزء جدایی‌ناپذیر الکترونیک مدرن هستند، به عنوان ابزارهای قدرتمندی در این جستجو برای ابزارهای تشخیصی ظاهر شده‌اند. این دستگاه‌های کوچک می‌توانند به گونه‌ای تنظیم شوند که به عنوان بیوسنسورها عمل کنند و پاتوژن‌ها یا نشانگرهای خاص را به صورت 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 تشخیص بیوسنسورهای FET را به سطوح بسیار کوچک – تا غلظت‌های فمتومولار، یا یک کوادریلیونم مول – با استفاده از مواد نانو مقیاس مانند نانووایرها، اکسید ایندیم و گرافن افزایش داده است. 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 مشکل دارند.

روش‌های کنونی برای سفارشی‌سازی این سنسورها، مانند ریختن بیورسپتورها مانند آنتی‌بادی‌ها بر روی سطح FET، دقت و مقیاس‌پذیری لازم برای وظایف تشخیصی پیچیده‌تر را ندارند.

تحقیقات جدید در زمینه حسگرهای بیولوژیکی

برای حل این مشکل، محققان در حال بررسی روش‌های جدیدی برای تغییر سطح ترانزیستورهای اثر میدان (FET) هستند تا هر ترانزیستور روی یک چیپ بتواند برای شناسایی نشانگرهای زیستی مختلف 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 که ممکن است کلید عبور از این موانع باشد.

این تکنیک امکان الگوگذاری شیمیایی دقیق یک چیپ پوشش‌دار با پلیمر را فراهم می‌کند و به عملکردی‌سازی FETهای فردی با بیورسپتورهای مختلف، مانند آنتی‌بادی‌ها یا آپتامرها، با دقت‌هایی به اندازه ۲۰ نانومتر می‌انجامد. این دقت با اندازه کوچک ترانزیستورها در چیپ‌های نیمه‌هادی پیشرفته امروزی برابر است. با اجازه دادن به تغییرات بسیار انتخابی در هر ترانزیستور، این روش درهای توسعه حسگرهای مبتنی بر FET را باز می‌کند که می‌توانند انواع مختلفی از پاتوژن‌ها را در یک چیپ با حساسیت بی‌نظیر شناسایی کنند.

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

در آزمایش‌ها، حسگرهای FET که با استفاده از tSPL عملکردی‌سازی شده‌اند، عملکرد قابل توجهی از خود نشان داده‌اند و توانسته‌اند غلظت‌های بسیار کم ۳ آتومول (aM) از پروتئین‌های نوک SARS-CoV-2 و همچنین 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 تشخیص 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 ساخت و ساز و املاک 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 همچنین افزود: “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 سایر توسعه‌دهندگان درگیر در نوسازی شهری به دنبال راه‌حل‌های نوآورانه‌ای مانند این هستند تا تهدیدات بیولوژیکی را در ساختمان‌ها حس کنند.” او همچنین افزود: “اقدامات دفاع بیولوژیکی مانند این یک لایه زیرساختی جدید 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 قابل تحقق است. یک روش جهانی و مقیاس‌پذیر برای عملکردی‌سازی 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.