| تاریخ ارسال: 1399/12/19 |
شناسایی تک مولکولها و تشخیص بیماریها با تلفن هوشمند
پژوهشگران Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) در مونیخ نشان دادند که نور ساطع شده توسط یک تک مولکول را میتوان با یک دستگاه نوری کم هزینه تشخیص داد. نمونه ی اولیه آنها میتواند تشخیص پزشکی را تسهیل کند.
نشانگرهای زیستی نقشی اساسی در تشخیص بیماری و ارزیابی روند آن دارند. از جمله نشانگرهایی که اکنون استفاده میشود، میتوان به ژنها، پروتئینها، هورمونها، لیپیدها و سایر گروههای مولکول اشاره کرد. نشانگرهای زیستی را میتوان در خون، مایع مغزی نخاعی، ادرار و انواع مختلف بافتها مشاهده کرد؛ اما اکثر آنها یک ویژگی رایج دارند: آنها در غلظتهای بسیار کم رخ میدهند، بنابراین تشخیص و تعیین مقدار آنها از نظر فنی چالش برانگیز است.
در بسیاری از روشهای تشخیص، از کاوشگرهای مولکولی مانند آنتی بادیها یا توالی های کوتاه اسید نوکلئیک استفاده میشود که برای اتصال به نشانگرهای زیستی خاص طراحی شده اند. هنگامی که یک کاوشگر هدف خود را میشناسد و به آن متصل میشود، واکنش های شیمیایی یا فیزیکی منجر به ایجاد سیگنالهای فلورسانس میشود. این روشها در صورتی به خوبی کار میکنند که حساسیت کافی برای تشخیص نشانگر زیستی مربوطه را در درصد بالایی از بیمارانی که آن را در خون خود دارند، داشته باشند. علاوه براین، قبل از استفاده از چنین آزمایشهای مبتنی بر فلورسانس، باید نشانگرهای زیستی یا سیگنالهای آنها تقویت شود. هدف نهایی توانایی غربالگری پزشکی مستقیم بر روی بیماران، بدون نیاز به ارسال نمونه ها به آزمایشگاه های دور برای تجزیه و تحلیل است.
نشانگرهای زیستی نقشی اساسی در تشخیص بیماری و ارزیابی روند آن دارند. از جمله نشانگرهایی که اکنون استفاده میشود، میتوان به ژنها، پروتئینها، هورمونها، لیپیدها و سایر گروههای مولکول اشاره کرد. نشانگرهای زیستی را میتوان در خون، مایع مغزی نخاعی، ادرار و انواع مختلف بافتها مشاهده کرد؛ اما اکثر آنها یک ویژگی رایج دارند: آنها در غلظتهای بسیار کم رخ میدهند، بنابراین تشخیص و تعیین مقدار آنها از نظر فنی چالش برانگیز است.
در بسیاری از روشهای تشخیص، از کاوشگرهای مولکولی مانند آنتی بادیها یا توالی های کوتاه اسید نوکلئیک استفاده میشود که برای اتصال به نشانگرهای زیستی خاص طراحی شده اند. هنگامی که یک کاوشگر هدف خود را میشناسد و به آن متصل میشود، واکنش های شیمیایی یا فیزیکی منجر به ایجاد سیگنالهای فلورسانس میشود. این روشها در صورتی به خوبی کار میکنند که حساسیت کافی برای تشخیص نشانگر زیستی مربوطه را در درصد بالایی از بیمارانی که آن را در خون خود دارند، داشته باشند. علاوه براین، قبل از استفاده از چنین آزمایشهای مبتنی بر فلورسانس، باید نشانگرهای زیستی یا سیگنالهای آنها تقویت شود. هدف نهایی توانایی غربالگری پزشکی مستقیم بر روی بیماران، بدون نیاز به ارسال نمونه ها به آزمایشگاه های دور برای تجزیه و تحلیل است.
انتن های مولکولی سیگنال های فلورسانس را تقویت میکنند:
Philip Tinnefeld، استاد شیمی فیزیک درLMU ، یک استراتژی برای تعیین سطح نشانگرهای زیستی موجود در غلظتهای پایین ایجاد کرده است. وی موفق شده است که کاوشگرهای DNA را به ذرات ریز طلا یا نقره متصل کند. جفت ذرات (dimers) به عنوان نانوآنتن هایی عمل میکنند که سیگنالهای فلورسانس را تقویت میکنند. این ترفند به شرح زیر عمل میکند: برهمکنش میان نانوذرات و امواج نوری ورودی باعث تشدید میدان های الکترومغناطیسی محلی میشود و این به نوبه خود منجر به افزایش عظیم دامنه فلورسانس میشود. به این ترتیب میتوان باکتریهایی را که حاوی ژن های مقاومت آنتیبیوتیکی و حتی ویروس هستند را به طور خاص شناسایی کرد.
Kateryna Trofymchuk، اولین نویسنده ی مشترک مقاله، میگوید: "آنتنهای نانو مبتنی بر DNA طی چند سال گذشته مورد مطالعه قرار گرفته است؛ اما ساخت این نانوساختارها چالش هایی دارد." گروه تحقیقاتی Philip Tinnefeld اکنون موفق شده است اجزای نانوآنتن خود را دقیقاً پیکربندی کند و مولکولهای DNA را به عنوان کاوشگرهای ضبط در محل تقویت سیگنال، قرار دهد. روی هم رفته، این تغییرات باعث میشوند که سیگنال فلورسانس به طور مؤثرتری تقویت شود. علاوه بر این، در حجم کوچک درگیر، که در مقیاس zeptoliter است (یک zeptoliter برابر ۲۱-۱۰ لیتر است)، حتی میتوان مولکولهای بیشتری را نیز جذب کرد.
درجه بالایی از کنترل موقعیت یابی توسط فناوری نانو DNA امکانپذیر است که از ویژگیهای ساختاری DNA برای هدایت مونتاژ انواع اشیا در مقیاس نانو - به تعداد بسیار زیاد - بهره میبرد. Trofymchuk میگوید: "در یک نمونه، ما میتوانیم به طور همزمان بیلوین ها نانوآنتن را با استفاده از روشی که اساساً شامل pipetting چند محلول با هم است، تولید کنیم. "
تشخیص عادی با تلفن هوشمند:
Viktorija Glembockyte، اولین نویسنده مشترک مقاله، میگوید: "در آینده، فناوری ما میتواند برای آزمایش های تشخیصی حتی در مناطقی که دسترسی به برق یا تجهیزات آزمایشگاهی محدود است، مورد استفاده قرار گیرد. ما نشان دادهایم که میتوانیم مستقیماً قطعات کوچک DNA در سرم خون را با استفاده از یک میکروسکوپ قابل حمل و مبتنی بر تلفنهای هوشمند که روی یک پاور برق USB معمولی کار میکند تا آزمایش را کنترل کند، تشخیص دهیم. " تلفنهای هوشمند جدید معمولاً به دوربینهای بسیار خوبی مجهز هستند. جدا از آن، تنها چیزی که لازم است لیزر و لنز- دو جزء در دسترس و ارزان- است. پژوهشگران LMU از این دستورالعمل اساسی برای ساخت نمونههای اولیه خود استفاده کردند.
آنها در ادامه نشان دادند که قطعات DNA که مخصوص ژنهای مقاومت به آنتیبیوتیک در باکتریها هستند میتوانند توسط این مجموعه تشخیص داده شوند. اما روش میتواند به راحتی اصلاح شود تا طیف وسیعی از انواع اهداف مانند ویروسها را تشخیص دهد. Tinnefeld خوشبین است: "سال گذشته نشان دادهاست که همیشه نیاز به روشهای تشخیصی جدید و ابتکاری وجود دارد و شاید فناوری ما بتواند روزی به توسعه یک آزمایش تشخیصی ارزان و قابل اعتماد کمک کند که می تواند در خانه انجام شود."
Philip Tinnefeld، استاد شیمی فیزیک درLMU ، یک استراتژی برای تعیین سطح نشانگرهای زیستی موجود در غلظتهای پایین ایجاد کرده است. وی موفق شده است که کاوشگرهای DNA را به ذرات ریز طلا یا نقره متصل کند. جفت ذرات (dimers) به عنوان نانوآنتن هایی عمل میکنند که سیگنالهای فلورسانس را تقویت میکنند. این ترفند به شرح زیر عمل میکند: برهمکنش میان نانوذرات و امواج نوری ورودی باعث تشدید میدان های الکترومغناطیسی محلی میشود و این به نوبه خود منجر به افزایش عظیم دامنه فلورسانس میشود. به این ترتیب میتوان باکتریهایی را که حاوی ژن های مقاومت آنتیبیوتیکی و حتی ویروس هستند را به طور خاص شناسایی کرد.
Kateryna Trofymchuk، اولین نویسنده ی مشترک مقاله، میگوید: "آنتنهای نانو مبتنی بر DNA طی چند سال گذشته مورد مطالعه قرار گرفته است؛ اما ساخت این نانوساختارها چالش هایی دارد." گروه تحقیقاتی Philip Tinnefeld اکنون موفق شده است اجزای نانوآنتن خود را دقیقاً پیکربندی کند و مولکولهای DNA را به عنوان کاوشگرهای ضبط در محل تقویت سیگنال، قرار دهد. روی هم رفته، این تغییرات باعث میشوند که سیگنال فلورسانس به طور مؤثرتری تقویت شود. علاوه بر این، در حجم کوچک درگیر، که در مقیاس zeptoliter است (یک zeptoliter برابر ۲۱-۱۰ لیتر است)، حتی میتوان مولکولهای بیشتری را نیز جذب کرد.
درجه بالایی از کنترل موقعیت یابی توسط فناوری نانو DNA امکانپذیر است که از ویژگیهای ساختاری DNA برای هدایت مونتاژ انواع اشیا در مقیاس نانو - به تعداد بسیار زیاد - بهره میبرد. Trofymchuk میگوید: "در یک نمونه، ما میتوانیم به طور همزمان بیلوین ها نانوآنتن را با استفاده از روشی که اساساً شامل pipetting چند محلول با هم است، تولید کنیم. "
تشخیص عادی با تلفن هوشمند:
Viktorija Glembockyte، اولین نویسنده مشترک مقاله، میگوید: "در آینده، فناوری ما میتواند برای آزمایش های تشخیصی حتی در مناطقی که دسترسی به برق یا تجهیزات آزمایشگاهی محدود است، مورد استفاده قرار گیرد. ما نشان دادهایم که میتوانیم مستقیماً قطعات کوچک DNA در سرم خون را با استفاده از یک میکروسکوپ قابل حمل و مبتنی بر تلفنهای هوشمند که روی یک پاور برق USB معمولی کار میکند تا آزمایش را کنترل کند، تشخیص دهیم. " تلفنهای هوشمند جدید معمولاً به دوربینهای بسیار خوبی مجهز هستند. جدا از آن، تنها چیزی که لازم است لیزر و لنز- دو جزء در دسترس و ارزان- است. پژوهشگران LMU از این دستورالعمل اساسی برای ساخت نمونههای اولیه خود استفاده کردند.
آنها در ادامه نشان دادند که قطعات DNA که مخصوص ژنهای مقاومت به آنتیبیوتیک در باکتریها هستند میتوانند توسط این مجموعه تشخیص داده شوند. اما روش میتواند به راحتی اصلاح شود تا طیف وسیعی از انواع اهداف مانند ویروسها را تشخیص دهد. Tinnefeld خوشبین است: "سال گذشته نشان دادهاست که همیشه نیاز به روشهای تشخیصی جدید و ابتکاری وجود دارد و شاید فناوری ما بتواند روزی به توسعه یک آزمایش تشخیصی ارزان و قابل اعتماد کمک کند که می تواند در خانه انجام شود."
گردآورندگان: دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان- مهندس ریحانه گودرزی
منبع:
https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۱/۲/۱۵/detecting-single-molecules-and-diagnosing-diseases-with-a-smartphone