بخشی از مقاله
چکیده
سیستم های میکروسیالی ریزتراشه هایی هستند که در آن سیالات با مقادیر بسیار اندک تحت واکنش ها و فرایندهای زیستی و شیمیایی خاص و از پیش تعیین شده ای قرار می گیرند. طبق مطالعات انجام شده، محققان از سال 1990 به دنبال گسترش و بهینه سازی این تکنولوژی می باشند. افزایش نسبت سطح به حجم، عدم دخالت نیروی انسانی، دقیق بودن سیستم، کم بودن هزینه ها، ایجاد فضای سه بعدی مشابه بدن، کاهش آلودگی و ... از جمله مواردی هستند که موجب اهمیت بیشتر این تکنولوژی می شوند. آزمایشگاه روی یک تراشه، نمونه ای از سیستم های میکروسیالی است که از آن برای کشت و تکثیر انواع سلول ها، بررسی اثرات دارو و سایر فرایندهای زیستی مبتنی بر مولکول های آلی و سلول های زنده استفاده می گردد. با توجه به اینکه کشت سلول درون آزمایشگاه با مشکلات فراوانی از جمله عدم مشابهت کامل با محیط سه بعدی درون بدن همراه است، با استفاده از سیستم های میکروسیالی می توان آزمایشگاه روی تراشه هایی را طراحی کرد که بیشتر از فلاسک های معمول کشت سلول به محیط و شرایط فیزیولوژیک درون بدن شبیه باشند و حتی از این طریق می توان کشت اتوماتیک سلول ها بدون نیاز به دخالت نیروی انسانی را هم تأمین کرد. بنابراین بهره وری از این ریزتراشه ها امکان مطالعات دقیق تر سلولی و مولکولی را برای محققین فراهم خواهد نمود.
کلمات کلیدی: آزمایشگاه روی یک تراشه، میکروسیالات دیجیتالی، کشت اتوماتیک سلول ها، آنالیزهای سلولی - مولکولی.
.1 معرفی سیستم های میکروسیالی، آزمایشگاه روی یک تراشه و اجزای اصلی سازنده ی آن کار کردن در مقیاس آزمایشگاهی و بزرگ اگرچه برای تولید مقادیر بالای مواد ضرورت دارد، اما محدودیت هایی را ایجاد می کند که توسط تکنیک آزمایشگاه روی یک تراشه1 یا سیستم های ریزتحلیلی کامل 2 - ʽTAS - قابل حل شدن است. این تکنیک در اواخر دهه 1990 مطرح گردید. آزمایشگاه روی یک تراشه در حوزه های تشخیصی، شیمی و زیست وارد گردیده و علیرغم کاربردهای فراوان هنوز گسترش قابل توجهی پیدا نکرده است.[20] تکنیک آزمایشگاه روی یک تراشه بر پایه ی فناوری 3 NEMS & MEMS ایجاد شده است. فناوری bio MEMS شامل ابزاری است که در ابعاد میکرو و نانو به منظور کاربردهای پردازش، رسانش، دستکاری، آنالیز و ساخت مواد بیولوژیک و شیمیایی تولید می شوند.[24] آزمایشگاه روی یک تراشه گوشه ای از کاربردهای وسیع سیستم های میکروسیالی است که در آن سیالات با مقادیر بسیار اندک در مقیاس های میکرو و نانو مخلوط شده و با هم واکنش می دهند.[33]
استفاده از سیستم های میکروسیالی به منظور تولیدات شیمیایی و بیوشیمیایی اولین بار در سال 1995 در کارگاهی در Mainz صورت گرفت.[14] میکروپدها - ʽPADs - یا دستگاه های آنالیزی مدرن میکروسیالی بر پایه ی کاغذ برای اولین بار در سال 2007 توسط گروهی از white sides ارائه گردید .[27] از این میکروپدها در تکنیک آزمایشگاه روی یک تراشه استفاده می شود. این میکروپدها کانال هایی را ایجاد می کنند که توسط تکنیک هایی مثل فیتولیتوگرافی، چاپ روی صفحه نمایش، برش لیزری، درمان پلاسما، چاپ جوهرافشان و چاپ موم ساخته می شوند.[20] لیتوگرافی 1 فرایندی است که در آن با استفاده از منابع انرژی مثل پرتوهای الکترونی، نور فرابنفش، لیزر و اشعه X روی سطوحی چون شیشه وسیلیکون ویژگی هایی را ایجاد می کنند. به منظور طراحی ویژگی های ظریف تر و کوچکتر باید از امواج با طول موج کمتر استفاده شود. [32]
آزمایشگاه روی یک تراشه از چهار بخش اصلی ساخته می شود: کانال، دریچه، مخلوط کننده و پمپ. کانال ها لوله های باریک و موئینی هستند که مواد مختلف از درون آن عبور می کند. در کانال های بزرگ جریان مواد و سیالات به صورت مخلوطی و همرفتی است اما در لوله های موئین که ابعادی در حد میکرو و نانو دارند، جریان مواد به صورت خطی می باشد. بنابراین در آزمایشگاه روی یک تراشه نیازی به کنترل جریان نیست. از طرف دیگر به دلیل وجود جریان خطی موادی که پشت سر هم وارد کانال ها می گردند با هم مخلوط نمی شوند و پشت سر هم حرکت می کنند. - شکل - 1 دریچه ها مکانی هستند که دو یا چند کانال به هم مربوط می شوند و وظیفه هدایت سیالات درون کانال را بر عهده دارد. دو نوع دریچه وجود دارد: دریچه های مکانیکی و غیرمکانیکی. دریچه های مکانیکی در عرض کانال باز و بسته می شوند و دریچه های غیرمکانیکی مکان هایی هستند که با توجه به خاصیت الکترواسمزی و یا آبدوست و آبگریز بودن جریان مواد را کنترل می کنند29] ،26،.[18 مخلوط کننده ها که به صورت فعال و غیرفعال هستند به منظور سرعت بخشیدن به مخلوط شدن مواد وسیالات استفاده می شوند.[16 ,11]
پمپ ها نیز در گروهی از تراشه ها به منظور ورود فعال مواد کاربرد دارند که شامل پمپ های مکانیکی و غیرمکانیکی هستند.[6] اولین نمونه های آزمایشگاه روی یک تراشه از جنس سیلیکون و شیشه ساخته می شدند اما گران بودن و غیرشفاف بودن آن ها تولیدکنندگان را به سمت استفاده از پلیمرهایی مثل 2 PDMS از جنس سیلوکسان3 سوق داد. این پلیمرها علاوه بر شفاف بودن، نسبت به گازهای مورد نیاز در کشت سلول، که یکی از کاربردهای آزمایشگاه روی یک تراشه است، مثل N2 'CO2'O2 نفوذپذیر هستند. علاوه بر این غیر سمی و قابل اتوکلاو می باشند و می توان ویژگی های سطحی آن ها را تغییر داد.[28 ,18] ترموپلاستیک ها و الاستومرها با توجه به پایداری فیزیکی و شیمیایی و خواص نوری و نیز هزینه ی اندکی که دارند، گزینه های مناسب دیگری برای ساخت میکروتراشه ها هستند.[22]
باید این نکته را مدنظر داشت که مواد و ابزارهایی که در ساخت تراشه ها به کار می روند زیست تخریب پذیر بوده و از نظر شیمیایی به محیط آسیب وارد نکنند و قابل بازیافت باشند.[1] به منظور مشاهده و بررسی روند تغییرات و واکنش در تراشه ها با توجه به شفاف بودن جنس آن می توان از میکروسکوپ استفاده نمود. همچنین روش هایی مثل فلوئورسانس، لومینوسانس شیمیایی، سنجش الکتروشیمیایی و به خصوص سنجش های رنگی مرکب با تصاویر حاصله از اسکنرها، مناسب ترین و رایج ترین شیوه ها برای بررسی تراشه و سیستم های میکروسیالی هستند.[20 ,18] تکنیک آزمایشگاه روی یک تراشه ابزار قدرتمندی است که هر جزء آن مانند بخشی از یک آزمایشگاه بزرگ فعالیت می کند.[18] بنابراین با تعبیه کردن بخش های کوچک درون یک تراشه می توان چندین تجهیزات بزرگ آزمایشگاهی مثل انواع حسگرها، الکتروفورز، PCR ، الکتروکروماتوگرافی، اسپکتروسکوپی و ...
را درون یک ریزتراشه جای داد.[1] البته باید توجه داشت که تبدیل ابزارها با مقیاس بزرگ به ابزارها و تراشه ها در مقیاس های میکرو و نانو، تنها به معنای کوچک سازی آن ابزار نیست؛ بلکه باید با قوائد و قوانینی که در مقیاس های کوچک برقرار است نیز آشنا بود.[22] با توجه به حجم کوچک این تراشه ها به موادی با مقادیر اندک نیاز است که این موضوع زمان و هزینه ها را کاهش می دهد. علاوه بر این عدم دخالت نیروی انسانی نیز دقت و صحت آزمایش را بالا می برد. ابعاد میکرو و نانو این تکنولوژی موجب سرعت بالا و حساسیت زیاد سیستم می گردد18]،20 ،22،. [33 - شکل - 2 در ادامه تعدادی از مهم ترین و گسترده ترین کاربردهای آزمایشگاه روی یک تراشه را بررسی می کنیم.
.2 کاربرد آزمایشگاه روی یک تراشه در مطالعات داروسازی و تشخیص پروتئومیکس نمونه ها میکروتراشه های آزمایشگاهی در حوزه های مختلف داروسازی از جمله طراحی دارو و آزادسازی آن نقش دارند. همچنین می توان از این ابزار برای تشخیص عوامل بیماری زا درون مواد غذایی و نیز تعیین پروتئومیکس نمونه های متنوع استفاده کرد. از روش های مبتنی بر سلول 1 نیز در آزمایشگاه روی یک تراشه استفاده می شود. این روش ها اولین بار در اوایل دهه ی 1980 مورد توجه قرار گرفتند که گسترده ترین کاربرد آن در حوزه ی کشف و طراحی دارو است.[22] به منظور طراحی دارو، موادشیمیایی مختلف شناسایی شده را که توانایی برهمکنش با عامل بیماری زا دارند و آن را درمان می کنند، توسط ابزارهای آزمایشگاه روی یک تراشه بهینه کرده و سپس دوره های ارزیابی بالینی را با کمک همین میکروتراشه ها می گذرانند.[24]
به عنوان مثال گیرنده های همراه G-protein را با بررسی یون های کلسیم خارج سلولی می توان مورد آنالیز قرار داد. انواع مختلفی از جذب، توزیع، سمیت، ترشح و متابولیسم های سلولی برای بررسی ویژگی های دارویی باید مورد توجه قرار بگیرند. ترکیبات شیمیایی سنتز شده به عنوان دارو را می توان با هزینه های کمتر و حجم های پایین تر توسط اینگونه سیستم های مینیاتوری آنالیز کرد. با طراحی تراشه های کوچک حاوی میکروکانال ها و اتاقک های کوچک و نیز منطقه ای که سیگنال های فلوئورسانس را شناسایی می کند، می توان سیستمی را طراحی کرد که بازدهی بسیار بالایی در شناسایی و تشخیص داروها و اثرگذری آن ها دارد.[10]
کانال های یونی موجود در غشای سلول یکی از مهم ترین اهداف داروها هستند. می توان تراشه ای طراحی کرد که تعدادی چاهک نمونه داشته باشد که از طریق کانال هایی به یک حجم باز وارد می شود و سیال با فشار به درون کانال ها پمپ می گردد. ادغام مواد گوناگون شرایط مورد نظر را برای سلول فراهم می آورد و به این ترتیب می توان اثر مواد را روی کانال های یونی سلول در این گونه تراشه ها بررسی کرد. این تراشه زیر میکروسکوپ invert که متصل به کامپیوتر است بررسی می شود و توسط آن می توان فعالیت گیرنده های گوناگون را در برابر داروها مورد مطالعه قرار داد.[17 ,8]
بررسی کموتاکسی در مقیاس های بزرگ به دلیل وجود گرادیان های غیرخطی شرایطی غیر قابل کنترل را ایجاد می کند اما سیستم های میکروسیالی با کنترل دما و ایجاد جریان های خطی محیطی پایدار را فراهم می کنند. برای اینگونه تحقیقات می توان تراشه هایی را طراحی کرد که شبکه بندی شده اند و در طول این شبکه مواد درون کانال های مختلف به هم می پیوندند و در آخرین کانال شیب گرادیانی از ماده ایجاد می شود که قابل کنترل بوده و کموتاکسی سلول ها را می توان توسط آن بررسی کرد.[22 ,15]
