ریز تراشه های زیستی محصول مهندسی پزشکی زیستی

امروزه دانش پزشکی به یاری گسترش و پیشرفت فناوری های جدید، قادر به تشخیص و درمان بیماری های گوناگون بر پایه علوم الکترونیک، بیوشیمی و نیز فناوری نانو شده است. بی شک تولید حسگرهای ریزساختار نقش بسزایی در این موفقیت ها و پیشرفت ها داشته است. این حسگرها با توجه به عمکرد و ساختارشان در طبقه‌بندی‌های مختلفی ارائه می شوند. یکی از مهمترین گروه ها که بر پایه مواد آلی یا ساختار های درون بدن انسان ساخته و تولید می شوند ” ریزتراشه های زیستی ” نام دارند.این دستگاه های کوچک توانایی سازگاری مناسب با محیط زنده و پویا دارند و قادر به دریافت و ارسال سیگنال و داده ها بدون آسیب رساندن به محیط زنده هستند. روند رو به تکامل ریز تراشه های زیستی از یک سو روند تشخیص و درمان بیماری ها را تسریع بخشیده است و از سوی دیگر ابعاد و اندازه های ظریف‌تر و مناسب تری را در اختیار متخصصان قرار داده است.

ریز تراشه زیستی (Biochip)


BMEcenter.ir

ریز تراشه زیستی در اولین بررسی یک دستگاه نیمه رسانا است که برپایه ساختار DNA تولید می شود. در بدن انسان DNA زنجیره مولکول های به یکدیگر متصلند که عامل انتقال وراثت و نشانه‌گذاری محسوب می شوند. تراشه سازان به یک ماده ای نیاز دارند که سرعت زیادی داشته باشد. DNA خیلی شبیه به یک سخت دیسک کامپیوتر است که اطلاعات ثابت را ذخیره می کند. DNA با تراشه کامپیوتر ترکیب شده و سرعت محاسبه را زیاد می کند. از لحاظ سرعت جدا از کامپیوترهایی هستند که تراشه آن از سیلیکون است. با مقدار کم DNA، کامپیوتر می تواند ۱۰ تـریـلـون بـایت اطلاعات نگه دارد و در هر زمان۱۰ تریلیون محاسبه انجام دهد.این دستگاه کوچک در تعاریف نظری شامل مدارات مجتمع (C) بر پایه ( زیرساختار ) مولکول های آلی یا ارگان های حیاتی هستند. دو گروه عمده برای ریزتراشه های زیستی در نظر گرفته می شود: گروه اول، یک دستگاه کوچک متشکل از مولکول های آلی بزرگ (مانند پروتئین ها) هستند که قـدرت و تـوان اجـرایـی انـجـام عـملیات (ذخیره داده ها، کنترل فرایند) همانند یک کامپیوتر الکترونیکی را دارند و گروه دیگر ، یک دستگاه ظریف با توانایی اجرایی سریع و فوری ، برای واکنش شیمیایی در ابعاد کوچک در راستای دستیابی و تشخیص زنجیره های ژن ، آلودگی مـحیطی ، مسمومیت‌های هوایی یا سایر مشتقات بیوشیمی به کار می رود.پیشرفت های ریزتراشه ها عامل اصلی رشد سریع صنایع بیوتکنولوژی است که باعث گسترش تحقیقات علمی در زمینه ژن شناسی و پروتئین شناسی و … شده است. از دیگر مزایای این تولیدات ، دستیابی دانشمندان به روش های جدید برای درک صحیح از تولیدات بیوشیمی پیچیده ، اتفاقات و واکنش های داخل سلولی و نیز درک و درمان بیماری های انسان است. این امر باعث رونق بازار و صنعت تولیدات ریز تراشه های زیستی شده است.

تاریخچه ریزتراشه های زیستی
پـیشرفت و ترقی ریز تراشه ها دارای تاریخ طولانی است. از اوایل شناخت تکنولوژی حـسـگـرهـا، یکی از اولین حسگرهای قابل حمل حسگرهای شیمیای بودند.از آن جمله ، الکترود شیشه ای PH که در سال ۱۹۲۲ توسط هاگس Hughes(،۱۹۲۲) اختراع شد و برای اندازه گـیـری مـیـزان PH بـر اساس اختلاف پتانسیل یون هیدروژن طراحی شده بود. سال ها بعد حسگرهای یون پتاسیم و اکسیژن نیز اختراع شد. اما DNA درسال ۱۹۵۳ مورد توجه واتسون و کریک قرار گرفت و مسیر جدیدی در حسگر ها ایجاد کرد.رشد سریع در دو شاخه بیوشیمی و نیمه رسانا ها باعث تولید ریزتراشه زیستی در سال ۱۹۹۰ شد. هرچند که با تولیدات امروزی فاصله زیادی داشت اما شروع یک حرکت جدید در تولید DNA چیپ ها و ژن چیپ ها شد. امــروزه انـواع بـسـیـاری از فـنـاوری ریـزتـراشـه هـای زیستی وجود دارد که در حال پیشرفت یا آغاز نسل نوین هستند . در این نسل DNA ، RNA، پروتئین ها و حتی سلول های زنده به عنوان حسگر در ریز تراشه هـای زیستـی بـه کـار گرفته می شوند. ارزش‌های مادی و کاربردهای این حسگر های کوچک باعث رونق بازار آن ها شده است.

انواع ریزتراشه های زیستی
با گسترش و تولیدات ابزارهای نیرومند و دقیق در تولید ریزتراشه ها ، امروزه هر دسته از این دستگاه های ریز و بسیار ریز Nano ( ِ Macro) برای اهدافی خاص طراحی و تولید می شوند. اگرچه همه آن ها از لحاظ نظری دارای یک ریشه واحد هستند. در ادامه به معرفی مهمترین دسته‌ها و کاربردشان به اختصار پرداخته شده است.

ریزتراشه های DNA (DNA Chips)


BMEcenter.ir

این دسته از ریزتراشه های زیستی که وسیع‌ترین و پـرکـاربرد ترین دستگاه های ریزاندازه در دانش پزشکی هستند و بر اساس استفاده از DNA و rNA طـراحـیو تـولیـد مـی‌شـونـد، اغلـب آن‌ها را با DNA مــیــکـــــرو آرایــــه (DNA microarray) مــــی‌شــنــــاســنــــد. ‌ریزتراشه DNA، به طور گسترده، افزایش تعداد ژن هـایـی کـه قـادر بـه مطـالعـه در یـک آزمایش هستند. همچنین ایجاد سری های خاص و پیوند زنی قدرت این ریزتراشه را در آنالیز های ژنی افزایش داده است. انواع مختلف این ریزتراشه در بازار قابل دسترسی است جدول زیر انواع کاربرد این تراشه را به صورت اختصار معرفی می کند:

ریز تراشه های پروتینی (Protein Chips)سـاختـار ریـزتـراشـه هـای پـروتینـی یـا آرایـه هـای پـروتـیـنـی هـمـانند ریزتراشه های DNA است با این تـفـاوت کـه نـقـش اصلی را پروتئین ها در عملیات بـیـولـوژی و ارگـان هـای اصـلـی بـازی می کند. این ریزتراشه ها معمولا برای آسیب شناسی انسانی در داروشناسی به کار رفته و اساس تحقیقات بیولوژی مـحـســوب مــی شــونــد. بــی گـمــان ریـزتـراشـه هـای پروتینی ، یکی از مهمترین روش های ایمنی سنجی (immunoassays) و آنتی بادی (anti body) در سطح تشخیصات کلینیکی است. ریزتراشه های پروتینی در تشخیص اثر دارویی (Drug discovery) و آزمایش مـسـمــومـیــت (toxicological testing) کـاربـردهـای فراوان دارد


ریزتراشه های الکترونیکی و الکتروشیمیایی
electrochemical Chips ِ Electronic


BMEcenter.ir

ریزتراشه های الکترونی برای ردیابی تغییرات در خـــواص الــکــتـــریــکـــی بـــا اســتــفـــاده از پــیـــونــد زنــی DNA)DNA hybridization) و محصور سازی پروتئین بـه صـورت مطالعاتی و پژوهشی به کار می روند. حسگرهای انتقال دهنده سیگنال های الکتریکی بیو مـولـکـولی و سلولی که برای تحلیل های آنالیتیک مورد استفاده قرار می گیرند، از جمله کاربردهای این دسته هستند.اصولا، این حسگرها برای کشف و آشـکــارســازی الـکـتــروشـیـمـیــایــی فـعــال ازجـمـلـه رنگ‌های آلی (organic dyes)، ترکیبات فلزی، آنزیم ها یا نانوذرات فلزی مناسب هستند
برای این دسته سه گروه فعالیت و کاربرد در نظر گرفته می شود:
۱)اندازه گیری جریان (amperometry): که برای اندازه گیری میزان جریان الکتریکی در نرخ انتقال الکترون در فرایند های اکسایش – کاهش به کار می رود.
۲)اندازه گیری پتانسیل (potentiometry): که برای اندازه گیری میزان تغییرات پتانسیل در الکترود ها با توجه به یون ها واکنش های شیمیایی داخلی به کار می رود.
۳)انـدازه گـیـری نـارسـانـایـی (impedimetry): کـه بـرای انـدازه گیری میزان هدایت و رسانندگی در محیط بین دو الکترود اتفاق می افتد، به کار می رود.


BMEcenter.ir

Lab-on-Chipاصول LOC بر اساس تجمع سازی تمامی دستگا های ضروری در یک ریزتراشه برای نمایش ترکیبات بیوشیمی پیچیده و فرایندهای شیمیایی (که معمولا با حجم زیاد تجهیزات آزمایشگاهی انجام شده) است. درساختار LOC ها، کانال های کم عرض، پمپ ها، اتاقک های سخت با دستگاه های الکترونی و نوری، حسگرها و محرک ها برای اجرای مراحل چندگانه برنامه ها می تواند وجود داشته باشد.گستره فعالیت و کاربرد این ریزتراشه زیستی ، در تمامی فضاهای کاری ریز اندازه از پروتئین شناسی و ژنتیک تا اطلاعات زیستی است


سیستم مرتب سازی سلولی Cell sorting system()
برای کشف و آشکارسازی سلول از دو روش مرتب سازی و شمارش سلولی استفاده می شود. روش مبتنی بر LOC دارای قابلیت تکثیرپذیری و تفکیک پذیری مناسب در ابعاد سلولی با قطر ۶/۰میکرو متر است. بیشترین تمرکز کاری بر روی جایگزینی مرسوم اتاقک سیال با دستگاه هایی با ابعاد کوچک (ریزتولیدات) است. ازاین‌رو سلول ها، ذرات و معرف ها می توانند به وسیله فشار، حرکت ذرات معلق نارسنا بر اثر جریان و نفوذپذیر الکتریکی دستکاری شوند.

آنالیز شمیایی و زیستی (Chemical and biological analysis)ریزتراشه های زیستی که مبنای آنالیز های شیمیایی اند شامل تحلیل روند تزریق(FIA) و نیز تحلیل مولکول های زیستی است. رنگ نگاری گازی و مایعی (LC ، GC ) و نیز الکتروفورز مویین (capillary electrophoresis) از جمله این روش ها در آزمایشگاه ها است.


نتیجه گیری و جمع بندی
اگرچه ریزتراشه ها امروزه به صورت اخبار در مجلات و رسانه ها بازگو می شود ولی نیاز به تبیین ساختار و عملکرد آن ها امری ضروری است تا از یک سو به قابلیت ها و توانایی و نیز معایب و نواقص آن ها پرداخته شود و از سوی دیگر ایده مناسبی جهت استفاده یا تولید آن ها در امور پژوهشی و درمانی به کار رود. در هر صورت آنچه در این مقاله بیان شد تنها گوشه ای از پهنه کاربرد و تنوع ریزتراشه های زیستی است که هرکدام سرفصل مطالبی مفصل هستند که در یک مقاله نمی گنجد.


منبع:انجمن مهندسی پزشکی