RT Audacity - шаблон joomla Оригами
Image is not available
Slider
Image is not available
Slider
111   312 23

مطالب علمی-پژوهشی

علمی-پژوهشی

  • 1
  • 2
  • 3

نانوبیوسنسورها و تشخیص‌های بالینی-آزمایشگاهی

 

 تشخیص‌های بالینی سریع و دقیق یک فاکتور مهم در حفظ سلامت افراد محسوب می‌شود. به همین علت استفاده از ابزارهایی که از این ویژگی‌ها برخوردار باشند، در تشخیص‌های آزمایشگاهی حائز اهمیت است. امروزه علوم نانو فناوری در بسیاری از شاخه‌های علمی به‌صورت کاربردی درآمده‌اند. یکی از کاربردهای نانو فناوری، استفاده از آن در بیوسنسورها است. ویژگی‌های منحصربه‌فرد نانو ساختارها به بهبود عملکرد بیوسنسور ها کمک کرده و آن‌ها را در تشخیص‌های سریع و دقیق، کارآمدتر نموده است. ازاین‌رو در این مقاله، نانوبیوسنسورها و انواع آنها و نیز برخی از کاربردهای این کلاس از بیوسنسورها در تشخیص آنالیت های بیولوژیکی مرور شده‌اند.


  معرفی

1- بیوسنسورها(Biosensors)

بیوسنسورها، ابزارهایی هستند که از ترکیب مواد بیولوژیک و مبدل‌ها ساخته‌ شده و برای تشخیص نمونه‌هایی همچون داروها، متابولیت ها، آلاینده‌ها ، بار میکروبی و یا کنترل پارامترها استفاده می‌شوند. بیوسنسورها سیگنال بیوشیمیایی را به سیگنال‌های فیزیوشیمیایی قابل‌ سنجش تبدیل می‌کنند که در خلال آن مقدار نمونه را می‌توان مشخص کرد(تصویر-1).

انواع مختلفی از بیوسنسورها وجود دارند که بسته به نوع عناصر حسی(گیرنده‌های زیستی) و یا مبدل‌ها دسته‌بندی می‌شوند. اولین بیوسنسور طراحی‌شده برای تخمین مقدار گلوکز استفاده می‌شد که به‌ وسیله پروفسور Leland.C.clark Jnr  در سال 1956 میلادی ساخته شد.

1

تصویر-1 : نمای شماتیک از ساختار عملکردی بیوسنسورها [3]

1-1- انواع بیوسنسورها

بیوسنسورها به‌ طور کلی در دو دسته قرار می‌گیرند که دسته‌بندی آن‌ها بر اساس عنصر حسی و روش تبدیل است. عناصر حسی شامل آنزیم‌ها، آنتی‌بادی‌ها(ایمنوسنسور)، میکروارگانیسم، بافت بیولوژیک، DNA، ماکرومولکول‌ها و ارگانل های سلولی می‌شود. روش تبدیل، وابسته به تغییرات فیزیوشیمیایی ناشی از عنصر حسی است و شامل مبدل‌های الکتروشیمیایی(آمپرمتریک، کانداکتومتریک و پتانسیل متریک)، اپتیکال(فلورسنس ، کموفلورسنس)، پیزوالکتریک(صوتی و فراصوتی) و کالری متریک می‌شود(دیاگرام-1). در سال‌های اخیر با توسعه علوم نانوتکنولوژیک، مواد نانوساختار جدید ساخته‌ شده‌اند و ویژگی‌ها و کاربردهای جدید آنها در بیوسنسورها مورد استفاده قرارگرفته است.

 2

دیاگرام-1 : عناصر حسی (گیرنده های زیستی) و مبدل های مورد استفاده در بیوسنسور ها [2]

نانوبیوسنسورها، ترکیبی از علوم مواد، مهندسی سلول، شیمی و بیوتکنولوژی هستند که باعث بهبود حساسیت و اختصاصیت در تشخیص مولکول‌های زیستی می‌شوند و از طرفی ظرفیت دست‌ کاری اتم‌ها و مولکول‌ها را نیز دارند[1 و 2] .

2- نانوبیوسنسورها(Nanobiosensors)

مواد در ابعاد نانو، ویژگی‌های منحصربفردی را از خود نشان می‌دهند که ناشی از ابعاد کوچک آنهاست. ازاینرو نانوتکنولوژی بر روی بهبود و توسعه روش‌های موجود با افزایش اثرات فرایندها و بهبود کارایی نانومواد تمرکز دارد تا پروسه‌هایی که می‌توان در عملکرد آنها از نانو مواد استفاده کرد، بازده بهتری داشته باشند. یکی از این پروسه‌ها تشخیص مواد در مقادیر بسیار کم و با سرعت و دقت بالا است که در تشخیص‌های آزمایشگاهی و بالینی بسیار حائز اهمیت است، چراکه با سلامت افراد ارتباط مستقیم دارد. در سال‌های اخیر بسیاری از محققین سعی در ترکیب نانوتکنولوژی با انواع مختلفی از تکنیک‌های بیوسنس داشته‌اند که به تولید آشکارسازهای نانومقیاس برای تشخیص عناصر بیولوژیک در مقادیر بسیار کم و با حساسیت و دقت بالا انجامیده است. مهم‌ترین هدف نانوبیوسنسورها، تشخیص و آشکارسازی کمی و کیفی هر نوع سیگنال بیوفیزیکی و بیوشیمیایی در سطح مولکولی یا سلولی است[3] .

ابزارهای تشکیل‌ شده از نانو مواد و سیستم‌های الکتریکی که به آن‌ها سیستم‌های نانوالکترومکانیکی(NEMS) گفته می‌شود، در مکانیسم‌های تبدیلی- الکتریکی بسیار فعال هستند. تعدادی از مواد نانوساختار در سیستم‌های NEM مورد تحقیق و بررسی قرارگرفته‌اند که خواص الکتریکی و مکانیکی آن‌ها در بهبود پیام‌رسانی بیولوژیکی و مکانیسم‌های تبدیلی حائز اهمیت بوده است. برخی از این مواد شامل نانولوله‌ها، نانوسیم‌ها، نانومیله ها، نانوذرات و فیلم‌های نازک ساخته‌ شده از مواد نانوکریستالی هستند. در میان این مواد، نانو ذرات به‌ خوبی مطالعه و بررسی‌ شده‌اند.

نانوبیوسنسورها در میان روش‌های بیوسنسینگ، به‌خوبی توانایی و کارایی خود را نشان داده‌اند و انواع مختلفی از آن‌ها تا به‌ حال ساخته‌ شده و به کار گرفته‌ شده‌اند و در دامنه گسترده‌ای از تشخیص‌ها، از آشکارسازی آنزیمی گلوکوز به‌ وسیله ابزارهای آمپرمتریک تا استفاده از نقاط کوانتومی(کریستال‌های نیمه‌ رسانا در ابعاد نانو) به‌ عنوان عوامل فلورسانس برای تشخیص ویژه بیومولکولی، کاربرد دارند. جدول -1 نشان‌دهنده انواع اصلی نانوساختارهای مورداستفاده برای بهبود مکانیسم‌های بیوسنسوری است [4] .

 3

جدول-1 : انواع نانوساختارهای مورداستفاده در بیوسنسور ها [4]

3- انواع نانوبیوسنسورها

3-1-سنسورهای نانوذره ای

در این کلاس از نانوبیوسنسورها، سه دسته از آنها بیشترین استفاده را دارند.

3-1-1- بیوسنسورهای موج صوتی: این دسته از بیوسنسورها برای فزون سازی و تقویت پاسخ‌های حسی به کار می‌روند که همراه با افزایش دقت در محدوده‌های تشخیص زیستی می‌باشد. نوع بیوسنسورهای جرمی که در این دسته قرار می‌گیرند، شامل اتصال ذرات طلا با آنتی‌بادی، بر سطح یک الکترود و تشکیل کمپلکس می‌شود. کمپلکس ایجادشده در خلال فرایند بیوسنسینگ، با ذرات آنالیت اتصال یافته و کمپلکس دیگری ایجاد می‌کند که در خلال آن، مولکول‌های آنتی‌بادی بر روی سطوح الکترود به‌ صورت ثابت درمی‌آیند. افزایش جرم ذرات طلای باند شده به آنتی‌بادی به تغییر در بسامد ارتعاشی پلات  فرم حسگر کوارتز می‌انجامد که این تغییر بسامد ارتعاش به‌عنوان پایه تشخیص عمل می‌کند(تصویر-2). معمولاً اندازه ذرات آنتی‌بادی – طلا بین 5 تا 100 نانومتر است و از ذرات پلاتینیم ، کادمیوم ، سولفید و تیتانیم اکساید نیز می‌توان استفاده نمود. درواقع بیوسنسورهای موج صوتی ، موج‌های مکانیکی و یا صوتی را به‌عنوان مکانیسم تشخیصی برای تشخیص آنالیت استفاده می‌کنند. بیوسنسورهای موج صوتی، علاوه بر تغییر در جرم، تغییر در الاستیسیته، رسانندگی الکتریکی و خواص دی‌الکتریک را نیز تشخیص می‌دهند. این ابزارها همچنین توانایی به‌کارگیری تأثیرات پیزوالکتریک برای القاء کردن موج‌های صوتی به‌ صورت الکتریکی را نیز در یک مبدل ورودی و دریافت آن موج در یک مبدل خروجی را دارند[4 و 5] .

 4

تصویر-2 : نمای شماتیک عملکرد بیوسنسورهای موج صوتی( www.oj-bio.com/biosensor-technology (

3-1-2- بیوسنسورهای نانوذره‌ای مغناطیسی: تعداد زیادی از بیوسنسورها، از نانو ذرات مغناطیسی برای تشخیص اهداف مولکولی ویژه استفاده می‌کنند که معمولاً قطر این نانوذرات بین 300-5 نانومتر است. نانومواد مغناطیسی، مواد مناسبی برای نشانه‌ گذاری بیومولکول ها جهت فرایند بیوسنسینگ هستند. چراکه ویژگی‌های مغناطیسی قوی دارند که در سیستم‌های بیولوژیک یافت نمی‌شود. مدولاسیون ترکیب و اندازه این ذرات نیز بسیار حائز اهمیت است. در جدول-2، برخی از نانوذرات مغناطیسی پرکاربرد معرفی شده اند.

ابزارهای خاصی همچون ابزارهای تداخل کوانتومی ابررسانا(SQUID) برای تشخیص سریع اهداف بیولوژیک با استفاده از نانو ذرات مغناطیسی به کار گرفته‌ شده‌اند. این ابزارها برای تشخیص آنتی‌ژن‌های خاصی در درون مخلوطی از مواد زیستی با استفاده از آنتی‌بادی‌های متصل به نانوذرات مغناطیسی کاربرد دارند [4 و 6]  .

5

جدول-2 : برخی از نانوذرات مغناطیسی پرکاربرد در بیوسنسورها [6]

3-1-3- بیوسنسورهای الکتروشیمیایی: بیوسنسورهای الکتروشیمیایی سهم قابل‌ توجهی از تشخیص‌های سریع و دقیق آزمایشگاهی را به خود اختصاص داده‌اند، چراکه این نوع بیوسنسورها وضعیت‌های بیولوژیکی را به‌ صورت مستقیم به یک سیگنال الکترونیک تبدیل می‌کنند. تبدیل سیگنال و کارایی کلی فرایند سنسورهای الکتروشیمیایی اغلب به‌ واسطه طراحی سطح، تعیین می‌شود که عنصر حسی را در سطح نانومقیاس به نمونه بیولوژیک مرتبط می‌کند. تکنیک‌های دست‌کاری سطح، مکانیسم‌های مختلف تبدیل الکتروشیمیایی و مولکول‌های گیرنده تشخیصی انتخاب‌ شده، همگی بر سطح حساسیت سنسور تأثیرگذار هستند[7]. بخش عمده‌ای از عملکرد بیوسنسورهای الکتروشیمیایی وابسته به آنزیم مناسب است که در لایه تشخیص زیستی فراهم‌کننده مواد فعال الکتریکی، برای تشخیص به‌ وسیله مبدل فیزیکی – شیمیایی ایجادکننده سیگنال، به کار می‌رود. یک آنزیم طبیعی می‌تواند به‌ عنوان ترکیب تشخیص زیستی استفاده شود؛ در این مورد آنالیت، همان سوبسترای آنزیم است؛ و نیز می‌تواند به‌عنوان سرکوب‌کننده عمل کند. بعلاوه آنزیم می‌تواند به‌عنوان نشانگر بااتصال به آنتی‌بادی‌ها، آنتی‌ژن‌ها و اولیگونوکلئوتیدهای با توالی مشخص و ویژه، عمل کند. معمولاً این ابزارها بر پایه نانوذرات فلزی ساخته‌ شده‌اند که واکنش‌های شیمیایی بین بیومولکول ها را به‌ سادگی و به‌ طور مؤثری انتقال می‌دهند. بیوسنسورهای الکتروشیمیایی طراحی‌ شده به‌ وسیله آنزیم‌های متصل به نانوذرات طلا برای تشخیص گلوکوز، گزانتین و هیدروژن پراکساید  به کار گرفته می‌شوند[8 و9] .

3-2- سنسورهای نانولوله‌ای

نانو لوله‌های کربنی (CNTs) شناخته‌ شده‌ ترین مواد نانوساختار یک‌ بُعدی(1-D) در میان نانو لوله‌ها هستند که در تشخیص‌های بیوسنسوری استفاده می‌شوند. ویژگی‌های منحصربفرد همانند رسانش الکتریکی بالا، میزان بالای مدولاسیون و انعطاف‌پذیری و نیز خواص شیمی- فیزیکی داینامیک و سطح ویژه بالای نانولوله‌های کربنی، باعث شده است که درزمینه های نانوفناوری بسیار موردتوجه قرار بگیرد. در واقع توانایی‌های این نوع از نانوساختارها، باعث شده که از آن‌ها به‌عنوان نسل جدید سنسورها که قابلیت ایجاد انقلابی در این صنعت را دارند یاد شود.CNTs  متشکل از شبکه‌های شش‌ ضلعی کربن هستند و می‌توانند باضخامت 1 نانومتر و طول نزدیک به 100 میکرون به‌ صورت لایه‌های از گرافیت تجمع یافته درون یک سیلندر، سنتز شوند. بسته به آرایش سیلندر، نانو لوله‌های کربنی می‌توانند به‌ صورت تک دیواره(SWNT) و یا چند دیواره(MWNT) سنتز شوند. SWNTS تنها از یک‌ لایه گرافن ساخته‌ شده در حالی‌ که MWNTs از لایه‌های بیشتری(تقریباً 50 لایه) تشکیل‌شده‌اند(تصویر-3) [10] . در استفاده از نانو لوله‌های کربنی به‌عنوان بیوسنسور تغییر قدرت هدایت الکتریکی به‌ عنوان عامل تشخیص عمل می‌کند. در واقع برای هر مولکول خاص با توجه به نحوه پیوند آن به نانو لوله کربنی یک فرکانس الکتریکی و یا طیف موج نوری ویژه‌ای ایجاد و ثبت می‌شود که با ردیابی متریک این پارامترها می‌توان به وجود مولکول پی برد[11 و 12] . CNTs در غلظت‌های پایین آنالیت ها نیز کارآمد هستند. امروزه بیوسنسورهای الکتروشیمیایی بر مبنای نانو لوله‌های کربنی ساخته‌ شده‌اند که حساسیت بسیار بالایی دارند، که فعالیت الکتروکاتالیستی آن‌ها با تهیه نمودن نانوذرات فلزی طلا/ پلاتین پوشیده شده بر پلادمیوم افزایش‌یافته است [13] .

 6

تصویر-3 : انواع نانولوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره [12]

3-3- بیوسنسورهای نانوسیمی

نانوسیم‌ها همانند نانو لوله‌ها در دسته نانو ساختارهای یک‌ بُعدی(1-D) قرار می‌گیرند که به خاطر خواص ویژه خود، مورد توجه قرار گرفته‌اند. از جمله خواص مهم آنها می‌توان به ویژگی‌های الکترونیکی و نوری-الکترونیکی آنها اشاره کرد. نسبت بالای سطح ویژه آن‌ها و ویژگی‌های انتقال الکترون قابل تنظیم، باعث شده است که خواص الکتریکی این نانوساختارها به‌طور قابل‌ ملاحظه‌ای از نوسانات کوچک تأثیرپذیر باشد. کاهش و یا افزایش بار الکتریکی در نانوساختارهای یک‌ بُعدی در بدنه نانو ساختار جا می‌گیرد و ازاینرو تغییرات بیشتری را در خواص الکتریکی نسبت به نانوساختارهای دو بعدی(2-D) و سه‌ بعدی(3-D)  ایجاد می‌کند، که درنتیجه به شناسایی و تشخیص دقیق‌تر یک مولکول منفرد می‌انجامد[14]. نانوسیم‌ها قابلیت تشخیص حسی بُعد مستقیم و خواص الکترونیکی بدون نشانگر را دارند که ازاین‌رو برای استفاده‌های تشخیصی و پزشکی بسیار مناسب هستند. سنسورهای مبتنی بر نانوسیم‌ها کم تعداد هستند، اما مطالعات و بررسی‌ها نشان داده‌اند که نانوسیم‌ها در بهبود کارایی تشخیص مواد بیولوژیک کارآمد هستند. نانوسیم‌های نیمه‌ رسانا برای جفت کردن مولکول‌های زیستی جهت تشخیص در اتصال به سوبسترا مورداستفاده قرارگرفته‌اند. برای مثال در یک تحقیق انجام‌ گرفته، نانو سیم‌های پوشیده شده با بیوتین جهت تشخیص و جداسازی مولکول‌های استرپتاویدین از یک مخلوط، با موفقیت به کار گرفته شدند. اندازه کوچک و ظرفیت بالای این نانوساختارها باعث شده است که کاندیدای مناسبی برای تشخیص زیستی پاتوژن ها و مواد زیستی و شیمایی باشند[15 و 16 و 17] .

4- کاربردهای نانوبیوسنسورها در تشخیص آزمایشگاهی

نانوبیوسنسورها برای تشخیص زیستی آنتی‌ژن‌های سرمی، کارسینوژنی، عوامل مسبب بسیاری از ناهنجاری‌های متابولیک و پاتوژن ها به کار گرفته می‌شوند. استفاده از نانوبیوسنسورها در تشخیص دیابت، سرطان، پاسخ‌های آلرژیک و پاتوژن ها با موفقیت همراه بوده است و امروزه در میان روش‌های تشخیصی جا گرفته‌اند. در ادامه به چند مورد شاخص  استفاده از نانوبیوسنسورها در تشخیص‌های آزمایشگاهی پرداخته خواهد شد.

 Zhen.M و همکارانش در سال 2016 با استفاده از بیوسنسور گلوکز آمپرمتریک بسیار حساس که به‌ وسیله نانومکعب‌های اکسید مس(Cu2o) ساخته‌ شده بود به تشخیص گلوکز در ادرار اقدام کردند که نتایج آن بسیار دقیق بوده و از قابلیت تکرارپذیری و پایداری مناسبی برخوردار بود[18] . Bo Tang و همکارانش نیز در سال 2007 از نانوبیوسنسوری که با حساسیت و انتخاب پذیری بالایی در سرم همراه بوده و بر اساس انتقال انرژی رزونانس فلورسانس(FRET) بین نقاط کوانتومی cdte و نانو ذرات طلا ساخته‌ شده بود، برای تشخیص مستقیم گلوکز در سرم خون استفاده کردند. نتایج گویای پاسخی مرکب از حساسیت بالا و اختصاصیت بالا در استفاده از این بیوسنسور در تشخیص گلوکوز سرمی بوده و نشان داد که می‌توان از این نوع نانوبیوسنسور در تشخیص سطوح پایین گلوکوز در سلول منفرد و یا حتی کشت باکتریایی استفاده کرد [19] .

Huertas.C و همکارانش در سال 2016 برای تشخیص سرطان از یک بیوسنسور نانوفوتونیک ترکیبی استفاده کردند. اساس کار این نانوبیوسنسور بر  پایش بازآرایی متفاوت و نا به‌جای ژن Fas بود که تشخیص real-time ایزوفرم‌های اختصاصی در بازه FM- pM را بدون سنتز هیچ DNA و یا فرایند PCR ، انجام می‌داد. نتایج این تحقیق نیز ثابت کرد که استفاده از نانوبیوسنسورها در فرایند تشخیص آزمایشگاهی همراه با حساسیت و اختصاصیت بالا بوده که آنها را به ابزارهای کارآمدی تبدیل نموده است[20] . مطالعه دیگری نیز درزمینه استفاده از نانوبیوسنسورها در تشخیص سرطان سینه توسط Mittal.S و همکارانش در سال 2016 انجام پذیرفت که با نتایج دقیق و سریع همراه بود[21] .

علاوه بر تشخیص سرطان، از نانوبیوسنسورها در تشخیص بتا-آمیلوئید، اوره و کراتین نیز استفاده‌ شده که همانند دیگر تحقیقات، نتایج این بررسی‌ها نیز با موفقیت همراه بوده‌اند[22و23] . یکی از کاربردهای مهم نانوبیوسنسورها در تشخیص پاتوژن‌های باکتریایی و ویروسی است. نانوبیوسنسورها جزء ابزارهای تشخیصی معروف به POC (poin-of-care) هستند که در سیستم مراقبت و درمان و بخصوص پایش و تشخیص بیماری‌ها کاربرد دارند. وقوع برخی از اپیدمی‌ها و پاندمی‌های مرگ‌بار عفونی و یا برخی بیماری‌های نوظهور و باز- ظهور میکروبی و ضرورت تشخیص سریع عوامل پاتوژنیک ایجادکننده آن‌ها، باعث شده است که توسعه و استفاده از نانوبیوسنسورها  برای تشخیص سریع و دقیق پاتوژن ها مدنظر قرار بگیرد[24 و25] .

 Liu.Q و همکارانش در 2016 در تشخیص عفونت حاد میوکاردی از نانوبیوسنسورها استفاده کردند که تشخیص همراه با سرعت و حساسیت بالابود [26] . Bulbul.G و همکارانش نیز در سال 2015 از یک نانوسنسور قابل‌حمل برای ارزیابی و پایش و شناسایی آلودگی‌های زیستی و شیمیایی مواد غذایی استفاده کردند و بیان داشتند که هزینه پایین و دقت بالا در استفاده از نانوبیوسنسورها، آن‌ها را به گزینه مناسبی برای استفاده در پایش مواد غذایی تبدیل نموده است[27] . Basu.M و همکارانش در سال 2004 یک نانوبیوسنسور را با استفاده از نانوسیم طلای باند شده به آنتی‌بادی ویژه اتصال به قند(GNWA)، توسعه داده و برای تشخیص باکتریایی در خلال عفونت کلیوی انسانی استفاده کردند[28]. نانوبیوسنسورها می‌توانند در تشخیص سریع و دقیق پاتوژن‌های باکتریایی همچون باسیلوس آنتراسیس، کلستریدیوم، یرسینیاپستیس و یا پاتوژن‌های ویروسی همچون پاپیلوما ویروس کارآمد باشند[29 و 30].

بحث و نتیجه‌ گیری

علم نانوتکنولوژی ثابت کرده است که می‌تواند نقش به سزایی در بیوسنسورها داشته باشد. نانوبیوسنسورها ابزارهایی کارآمد در تشخیص سریع، دقیق و با حساسیت بالا هستند که استفاده از آنها ازلحاظ صرف هزینه مالی و زمانی مقرون‌ به‌ صرفه است. مکانیسم‌های تبدیلی سیگنال‌ها در بیوسنسورها با استفاده از نانوساختارها و نانوموادی همانند کریستال‌های نیمه‌رسانا(نقاط کوانتومی) نانو ذرات ثابت‌ کننده آنزیم ، نانو لوله‌ها و نانوسیم‌ها، بهبود می‌یابد. افزایش کارایی مکانیسم‌های تبدیل سیگنال، در تشخیص سریع و دقیق و کم‌هزینه انواع آنالیت ها کاربرد داشته و امروزه بسیار مورد توجه است. توسعه نانوبیوسنسورها برای افزایش کارایی و کاربردهای آنها، هر چند که ممکن است زمان‌ بر باشد اما با توجه به‌ ضرورت تشخیص‌های دقیق و سریع بیولوژیک در حفظ سلامت افراد جامعه ، الزامی می‌نماید. 

تهیه و تنظیم: 

سجاد بابائی، کاویان فتاح پور، اردشیر عباسی، امید منصوری زاوله