چین به موفقیتی تازه دست یافت: دستگاهی به اندازه کف دست که شاید بتواند سرطان را در مراحل اولیه تنها با یک قطره خون غربال کند – حساسیت ۱۰ هزار برابر افزایش یافته است
نویسنده: وانگ یی، خبرگزاری گوانچا
ترجمه مجله جنوب جهانی
به گزارش روزنامه ساوت چاینا مورنینگ پست هنگکنگ در ۲۵ مه، یک تیم تحقیقاتی چینی موفق شده اند سیستم تشخیص سرطان را که در ابتدا به بزرگی یک یخچال بود، درون دستگاهی قابل حمل به اندازه کف دست فشرده سازند. در آیندهای نزدیک، غربالگری سرطان در مراحل اولیه شاید تنها با یک قطره خون میسر شود و حساسیت تشخیص تقریباً ۱۰ هزار برابر روشهای سنتی باشد.
دستگاههای سنتی تشخیص نشانگرهای زیستی سرطان خون معمولاً به منشور، طیفسنج و سیستمهای نوری پیچیده نیاز دارند که منجر به تجهیزاتی حجیم – اغلب به اندازه یک یخچال دو در – میشود و استفاده از آنها را به آزمایشگاهها یا مراکز تخصصی محدود میکند. اما تیمی به رهبری ون لیائویونگ در دانشگاه وستلیک، طی مقالهای در نشریه Nature Photonics، سازوکاری تازه به نام «مکانیسم حسگر متغیر پیچیده Q‑switched تابشی» پیشنهاد کرده که این سیستم تشخیص عظیم را به اندازه یک کف دست کوچک ساخته است.
بر خلاف فنون طیفسنجی سنتی که بر تحلیل طول موج تکیه دارند، این روش با اندازهگیری تغییرات شدت نور، عمل تشخیص را انجام میدهد. اگر محدوده قابل اندازهگیری تغییرات ضریب شکست در یک نمونه (یعنی درجه خمیدگی نور هنگام عبور از نمونه در حضور یک نشانگر زیستی) را به خطکشی یک متری تشبیه کنیم، این سیستم قادر است تغییرات بسیار ریزی در حد چند میکرومتر را شناسایی کند.
برای رسیدن به این هدف، تیم ون لیائویونگ از تراشههای متاسطح سهبعدی «BIC» مقیاسپذیر استفاده کرده است؛ این تراشهها ابرموادهایی هستند که میتوانند نور را به شیوههایی غیرممکن در مواد طبیعی دستکاری کنند.
گزارش یادآور میشود که این تحقیق بر پایه نتایج منتشرشده در نشریه Nature Materials در سال گذشته انجام شده، زمانی که این تیم تحقیقاتی از آلومینیوم برای دستیابی به تولید با دقت بالا در مقیاس از نانو تا ماکرو بهره برد.
تراشههای نوری سنتی مبتنی بر متاسطوح معمولاً به لیتوگرافی پرتو الکترونی برای «نوشتن» نقطهبهنقطه نیاز دارند – مانند کپی کردن کلمه به کلمه یک کتاب – که تولید در مقیاس بزرگ را دشوار میکند و هزینه هر تراشه را به صدها دلار میرساند. اما تیم ون لیائویونگ تولید تراشه را از دوران «کتابکپی کردن» به مرحله «چاپ با حروف متحرک» ارتقا داده است: ابتدا یک قالب اصلی ساخته میشود، سپس به تولید انبوه میرسد، به گونهای که میتوان هزاران تراشه کاملاً یکسان را به طور همزمان روی یک ویفر ۸ اینچی تولید کرد و هزینه هر تراشه را تقریباً به ۵ دلار کاهش داد.
از آنجا که سازوکار تازه فقط به اندازهگیری شدت نور نیاز دارد، کل ساختار سیستم تشخیص بسیار ساده شده و تنها از یک تراشه متاسطح سهبعدی BIC، یک منبع نور LED و یک آشکارساز نوری تشکیل شده است. دستگاه مونتاژشده جمعوجور است و میتوان بدون وابستگی به شرایط آزمایشگاهی، از آن در محیط خانه استفاده کرد.
برای تأیید عملکرد سیستم، تیم ون لیائویونگ با تیم ژو جینفنگ در دانشگاه شیامن همکاری کرد تا از این دستگاه برای تشخیص «وزیکولهای کوچک خارجسلولی» مرتبط با سرطان ریه استفاده شود. این وزیکولها نشانگرهای زیستی مهمی در نمونهبرداری مایع هستند، اما مقدار آنها در بیماران مراحل اولیه بسیار ناچیز است و تشخیص را به شدت دشوار میکند.
نتایج آزمایش نشان داد که این دستگاه دستی تازه توسعهیافته، حساسیت تشخیصی تقریباً ۱۰ هزار برابر بیشتر از روش سنتی «الایزا» (سنجش ایمونوسوربنت متصل به آنزیم) دارد. در یک مطالعه اعتبارسنجی روی ۱۷۱ نمونه سرم بالینی، این دستگاه در تشخیص سرطان ریه مراحل اولیه به میزان دقت ۹۴.۹ درصد دست یافت، در حالی که این رقم برای روش سنتی الایزا تنها ۷۴.۷ درصد بود. پایش اثربخشی پس از عمل نیز توانایی تمایز خوبی نشان داد، به طوری که شاخص AUC (سطح زیر منحنی) پس از عمل برابر ۹۲.۱ درصد بود.
کاربردهای این دستگاه بسیار فراتر از غربالگری سرطان است. به گفته دانشگاه وستلیک، توسعهدهندگان دارو میتوانند از آن برای غربالگری سریع مولکولهای کاندید و تعیین مؤثرترین داروها استفاده کنند؛ مراکز کنترل بیماری میتوانند از آن برای تشخیص ویروس کرونا یا آنفلوانزای جدید بهره ببرند؛ سازمانهای ایمنی مواد غذایی میتوانند از آن برای غربالگری باقیمانده آنتیبیوتیک در شیر و راکتوپامین در گوشت استفاده کنند؛ سازمانهای محیط زیست میتوانند از آن برای پایش آلایندههای نادر در آب بهره بگیرند. هر جا که به ثبت فوقالحساس و بدون برچسب اتصال مولکولی نیاز باشد، این دستگاه به اندازه کف دست میتواند کارآمد واقع شود.
ون لیائویونگ در سال ۲۰۱۹ به عنوان محقق اصلی (استاد راهنما/سرپرست دکترا) به دانشکده مهندسی دانشگاه وستلیک پیوست تا روی مواد نانوساختار چندجزئی جدید و دستگاههای چندمنظوره آنها تحقیق کند. پیش از آن، او به عنوان محقق ارشد و پژوهشگر پسادکترا در دانشگاه فنی ایلمنا در آلمان و دانشگاه کنتیکت در آمریکا فعالیت داشته است.
او اظهار داشت که فناوری تولید میکرو-نانو، به عنوان یک فناوری پشتیبان اصلی جامعه اطلاعاتی مدرن، به طور گسترده در حوزههایی مانند تعامل سیگنال نوری، الکتریکی و مغناطیسی کاربرد داشته و در حال تبدیل شدن به نیرویی مهم در پیشبرد تحول دیجیتال و هوشمند است.