حسگر جدیدی که می‌تواند سرطان و آلزایمر را در مراحل اولیه تشخیص دهد

حسگر جدید ابداع‌شده در دانشگاه «ام‌آی‌تی» همان مولکول‌هایی را شناسایی می‌کند که گیرنده‌های سلولی شناسایی می‌کنند و شاید بتواند غربالگری اولیه را برای تشخیص سرطان و سایر بیماری‌ها مانند آلزایمر امکان‌پذیر کند.

به گزارش پرتو جنوب به نقل از ایسنا، گروهی از پژوهشگران به سرپرستی دانشگاه «ام‌آی‌تی»(MIT) با الهام از سیستم‌های حسی طبیعی، حسگر جدیدی را طراحی کرده‌اند. این حسگر می‌تواند همان مولکول‌هایی را شناسایی کند که گیرنده‌های سلولی طبیعی شناسایی می‌کنند.

پژوهشگران در این پروژه که چندین فناوری جدید را ترکیب می‌کند، نمونه اولیه یک حسگر را ابداع کردند که می‌تواند یک مولکول ایمنی به نام «CXCL۱۲» را تا ده‌ها یا صدها قسمت در میلیارد تشخیص دهد. به گفته پژوهشگران، این اولین گام مهم برای توسعه سیستمی است که می‌توان از آن برای انجام دادن غربال‌گری‌های معمولی سرطان‌های غیرقابل تشخیص و تومورهای متاستاتیک یا به‌ عنوان بینی الکترونیکی استفاده کرد.

«شوگوانگ ژانگ»(Shuguang Zhang) پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: امید ما این است که دستگاهی ساده بسازیم تا به کاربر کمک کند آزمایش‌های خانگی را با ویژگی و حساسیت بالا انجام دهد. هرچه زودتر سرطان را تشخیص دهید، درمان بهتری انجام می‌شود. بنابراین، تشخیص دادن زودهنگام سرطان، یکی از زمینه‌های مهمی است که ما می‌خواهیم در آن پیشرفت کنیم.

در ساخت این دستگاه، از غشایی الهام گرفته شده که همه سلول‌ها را احاطه کرده است. در چنین غشایی، هزاران پروتئین گیرنده وجود دارد که مولکول‌های موجود در محیط را شناسایی می‌کنند. پژوهشگران برخی از این پروتئین‌ها را به گونه‌ای اصلاح کردند که بتوانند در بیرون از غشاء زنده بمانند و آنها را در لایه‌ای از پروتئین‌های متبلور در بالای مجموعه‌ای از ترانزیستورهای گرافینی قرار دادند. هنگامی که مولکول مورد نظر در یک نمونه شناسایی می‌شود، ترانزیستورها اطلاعات را به رایانه یا تلفن همراه هوشمند منتقل می‌کنند.

به گفته پژوهشگران، این نوع حسگر ممکن است برای بررسی مایعات بدن مانند خون، اشک یا بزاق سازگار باشد و بسته به نوع پروتئین گیرنده مورد استفاده، بتواند اهداف متفاوت را به طور همزمان بررسی کند.

«روی کینگ»(Rui Qing) از پژوهشگران این پروژه گفت: ما گیرنده‌های حیاتی را از سیستم‌های بیولوژیکی شناسایی می‌کنیم و آنها را روی یک رابط بیوالکترونیکی قرار می‌دهیم. این کار به ما امکان می‌دهد تا همه سیگنال‌های بیولوژیکی را جمع‌آوری کنیم و سپس، آنها را به خروجی‌های الکتریکی تبدیل کنیم که می‌توان آنها را با کمک ماشین‌ها تحلیل و تفسیر کرد.

پروتئین‌های گیرنده

بیشتر حسگرهای تشخیصی کنونی، بر پایه آنتی‌بادی‌ها یا آپتامرها ساخته شده‌اند که می‌توانند مولکول مورد نظر را از مایعی مانند خون جذب کنند. با وجود این، هر دو روش با محدودیت‌هایی همراه هستند. آپتامرها به راحتی توسط مایعات بدن تجزیه می‌شوند و ساخت آنتی‌بادی‌ها به گونه‌ای که هر دسته یکسان باشد، دشوار است.

یکی از روش‌های جایگزین که دانشمندان بررسی کرده‌اند، ساخت حسگرهایی براساس پروتئین‌های گیرنده موجود در غشای سلولی است که سلول‌ها از آن برای نظارت و واکنش نشان دادن به محیط خود استفاده می‌کنند. ژنوم انسان، هزاران گیرنده از این قبیل را رمزگذاری می‌کند. با وجود این، کار کردن با پروتئین‌های گیرنده دشوار است زیرا پس از حذف شدن از غشای سلولی، تنها در صورتی ساختار خود را حفظ می‌کنند که در مواد پاک‌کننده معلق باشند.

این گروه پژوهشی در سال ۲۰۱۸، روش جدیدی را برای تبدیل کردن پروتئین‌های آب‌گریز به پروتئین‌های محلول در آب گزارش دادند. این کار که به واسطه تعویض چند آمینواسید آب‌گریز با آمینواسیدهای آب‌دوست انجام می‌گرفت، روش «کد QTY» نامیده شد.

ژانگ گفت: پژوهشگران دهه‌ها تلاش کرده‌اند از گیرنده‌های حسی استفاده کنند اما این روش برای استفاده گسترده، چالش‌برانگیز است زیرا گیرنده‌ها برای پایدار نگه داشتن آنها به مواد پاک کننده نیاز دارند. مزیت روش ما این است که می‌توانیم گیرنده‌ها را به صورت محلول در آب درآوریم و آنها را در مقادیر زیاد و با قیمت ارزان تولید کنیم.

ژانگ و «اووه اسلیتر»(Uwe Sleytr) که همکاران قدیمی هستند، تصمیم گرفتند نسخه‌های محلول در آب پروتئین‌های گیرنده را با استفاده از پروتئین‌های باکتریایی که اسلیتر سالها روی آنها مطالعه کرده است، به یک سطح متصل کنند. این پروتئین‌ها که به عنوان پروتئین‌های لایه S شناخته می‌شوند، بیرونی‌ترین لایه سطحی پوشش سلولی در بسیاری از انواع باکتری‌ها و آرکی‌ها هستند.

هنگامی که پروتئین‌های لایه S متبلور می‌شوند، آرایه‌های تک‌مولکولی منسجم را روی یک سطح تشکیل می‌دهند. اسلیتر پیشتر نشان داده بود که این پروتئین‌ها را می‌توان با پروتئین‌های دیگری مانند آنتی‌بادی‌ها یا آنزیم‌ها ترکیب کرد. پژوهشگران در این پروژه، از پروتئین‌های لایه S برای ایجاد یک صفحه بسیار متراکم و بی‌حرکت نسخه محلول در آب پروتئین گیرنده «CXCR۴» استفاده کردند. این گیرنده به یک مولکول موسوم به «CXCL۱۲» متصل می‌شود که نقش مهمی در بروز چندین بیماری انسانی از جمله سرطان دارد و همچنین، به گلیکوپروتئین پوشش HIV متصل می‌شود که مسئول ورود ویروس به سلول‌های انسانی است.

اسلیتر گفت: ما از این سیستم‌های لایه S استفاده می‌کنیم تا به همه مولکول‌های کاربردی امکان دهیم که به سطح یک آرایه تک‌مولکولی در یک جهت کاملا مشخص متصل شوند. این کار مانند مرتب کردن بسیار دقیق مهره‌های گوناگون روی یک صفحه شطرنج است.

پژوهشگران، فناوری حسگر خود را «RESENSA» نامیدند که مخفف «آرایه نانو حسگر الکتریکی گیرنده لایه S» است.

حساسیت و زیست‌تقلیدپذیری

لایه‌های S متبلور می‌توانند تقریبا روی هر سطحی رسوب کنند. پژوهشگران برای این کاربرد، لایه S را به تراشه‌ای با آرایه‌های ترانزیستوری مبتنی بر گرافین متصل کردند. ضخامت تک‌اتمی ترانزیستورهای گرافین، آنها را برای توسعه آشکارسازهای بسیار حساس ایده‌آل می‌کند.

«مانتیان ژو»(Mantian Xue) از پژوهشگران این پروژه، تراشه را به گونه‌ای تطبیق داد که بتوان آن را با یک لایه دوتایی از پروتئین‌های لایه S متبلور متصل به پروتئین‌های گیرنده محلول در آب پوشاند. هنگامی که یک مولکول از نمونه به پروتئین گیرنده متصل می‌شود، ویژگی‌های الکتریکی گرافین به گونه‌ای تغییر می‌کند که می‌توان به راحتی کمیت آن را تعیین کرد و به رایانه یا تلفن همراه هوشمند متصل به تراشه انتقال داد.

ژو گفت: ما گرافین را به عنوان ماده مبدل انتخاب کردیم زیرا دارای ویژگی‌های الکتریکی عالی است و می‌تواند سیگنال‌ها را بهتر منتقل کند. این بالاترین نسبت سطح به حجم را دارد زیرا ورقه‌ای از اتم‌های کربن است. بنابراین، هر تغییر ناشی از رویدادهای اتصال پروتئین روی سطح، مستقیما به کل مواد منتقل می‌شود.

تراشه ترانزیستور گرافین را می‌توان با پروتئین‌های گیرنده لایه S پوشاند که تراکم آنها یک تریلیون گیرنده در سانتی‌متر مربع است. این ویژگی به تراشه امکان می‌دهد تا از حداکثر حساسیت ارائه‌شده توسط پروتئین‌های گیرنده در محدوده بالینی مرتبط برای آنالیت‌های مورد نظر در بدن انسان استفاده کند. به گفته پژوهشگران، این تراشه می‌تواند اندازه‌گیری‌های قابل اعتماد را حتی در مورد مولکول‌های کمیاب، مانند مولکول‌هایی که می‌توانند حضور تومور را در مراحل اولیه سرطان یا آغاز بیماری آلزایمر نشان دهند، تضمین ‌کند.

به گفته پژوهشگران، به لطف استفاده از کد QTY می‌توان پروتئین‌های گیرنده طبیعی موجود را تغییر داد و از آنها برای تولید مجموعه‌ای از حسگرها در یک تراشه استفاده کرد تا تقریبا هر مولکولی را که سلول‌ها می‌توانند شناسایی کنند، نمایش دهند.

کینگ گفت: هدف ما این است که فناوری پایه را توسعه دهیم تا امکان ساخت یک دستگاه قابل حمل را در آینده فراهم کنیم. شاید بتوان چنین دستگاهی را با تلفن‌های همراه و رایانه‌ها ادغام کرد تا آزمایش در خانه انجام شود و به سرعت مشخص شود که آیا باید به پزشک مراجعه کرد یا خیر.

«پیرو باگلیونی»(Piero Baglioni) استاد «دانشگاه فلورانس»(University of Florence) که در این پژوهش شرکت نداشت، گفت: این سیستم جدید، ترکیبی از زمینه‌های پژوهشی گوناگون مانند زیست‌شناسی مولکولی و مصنوعی، فیزیک و مهندسی برق است که در روش این گروه پژوهشی به خوبی ادغام شده‌اند. علاوه بر این، من معتقدم که این پیشرفت می‌تواند در تشخیص دادن بسیاری از بیماری‌ها سودمند باشد.

این پژوهش، در مجله «Science Advances» به چاپ رسید.