صمم العلماء جهاز استشعار قوي يعتمد على الضوء قادر على اكتشاف كميات صغيرة للغاية من المؤشرات الحيوية للسرطان في الدم. يمكن أن يسمح هذا الابتكار للأطباء في نهاية المطاف بتحديد علامات الإنذار المبكر للسرطان والأمراض الأخرى من خلال سحب الدم الروتيني.
يمكن للمؤشرات الحيوية مثل البروتينات، وأجزاء من الحمض النووي، والجزيئات الأخرى أن تشير إلى ما إذا كان السرطان موجودًا، أو كيفية تقدمه، أو خطر إصابة الشخص به. وتكمن الصعوبة في أنه في المراحل الأولى من المرض، توجد هذه العلامات بتركيزات منخفضة للغاية، مما يجعل من الصعب قياسها باستخدام الأدوات التقليدية.
وقال قائد فريق البحث هان تشانغ من جامعة شنتشن في الصين: “يجمع مستشعرنا بين الهياكل النانوية المصنوعة من الحمض النووي مع النقاط الكمومية وتقنية تحرير الجينات كريسبر للكشف عن إشارات المؤشرات الحيوية الخافتة باستخدام نهج يعتمد على الضوء يُعرف باسم الجيل التوافقي الثاني (SHG).” “إذا نجح هذا النهج، فقد يساعد في جعل علاجات الأمراض أكثر بساطة، وربما يحسن معدلات البقاء على قيد الحياة ويخفض تكاليف الرعاية الصحية الإجمالية.”
في اوبتيكا، مجلة Optica Publishing Group للأبحاث عالية التأثير، أفاد تشانغ وفريقه أن الجهاز اكتشف مؤشرات حيوية لسرطان الرئة في عينات المرضى عند مستويات تحت الذرات. وحتى عندما لم يكن هناك سوى عدد قليل من الجزيئات، أنتج النظام إشارة واضحة وقابلة للقياس. نظرًا لأن المنصة قابلة للبرمجة، فمن المحتمل أن يتم تكييفها لتحديد الفيروسات أو البكتيريا أو السموم البيئية أو المؤشرات الحيوية المرتبطة بحالات مثل مرض الزهايمر.
وقال تشانغ: “بالنسبة للتشخيص المبكر، فإن هذه الطريقة تبشر بالخير لتمكين إجراء فحوصات دم بسيطة لسرطان الرئة قبل أن يكون الورم مرئيا في الأشعة المقطعية”. “يمكن أن يساعد أيضًا في تطوير خيارات العلاج الشخصية من خلال السماح للأطباء بمراقبة مستويات المؤشرات الحيوية للمريض يوميًا أو أسبوعيًا لتقييم فعالية الدواء، بدلاً من الانتظار لأشهر للحصول على نتائج التصوير.”
تقنية الاستشعار البصري المجانية التضخيم
تتطلب معظم اختبارات العلامات الحيوية الحالية تضخيمًا كيميائيًا لزيادة الإشارات الجزيئية الصغيرة، مما يضيف الوقت والتعقيد والتكلفة. ويهدف الباحثون إلى إنشاء استراتيجية كشف مباشر تلغي تلك الخطوات الإضافية.
يعتمد النظام على SHG، وهي ظاهرة بصرية غير خطية يتم فيها تحويل الضوء الوارد إلى ضوء بنصف طول الموجة. في هذا التصميم، يتم تنفيذ SHG على سطح شبه موصل ثنائي الأبعاد يسمى ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS₂).
ولتحديد موضع مكونات الاستشعار بدقة، قام الفريق ببناء رباعيات السطوح للحمض النووي، وهي هياكل نانوية صغيرة على شكل هرم مكونة بالكامل من الحمض النووي. تحمل هذه الهياكل نقاطًا كمومية على مسافات يتم التحكم فيها بعناية من سطح MoS₂. تعمل النقاط الكمومية على تكثيف المجال البصري المحلي وتعزيز إشارة SHG.
اقرأ أيضًا...
تم بعد ذلك دمج تقنية تحرير الجينات كريسبر-كاس للتعرف على مؤشرات حيوية محددة. عندما يكتشف بروتين Cas12a هدفه، فإنه يقطع خيوط الحمض النووي التي تثبت النقاط الكمومية. يؤدي هذا الإجراء إلى انخفاض قابل للقياس في إشارة SHG. نظرًا لأن SHG ينتج القليل جدًا من الضوضاء الخلفية، يمكن للنظام اكتشاف تركيزات العلامات الحيوية المنخفضة للغاية بحساسية عالية.
وقال تشانغ: “بدلاً من النظر إلى الحمض النووي باعتباره مادة بيولوجية فقط، فإننا نستخدمه كوحدات بناء قابلة للبرمجة، مما يسمح لنا بتجميع مكونات مستشعرنا بدقة تصل إلى مستوى النانومتر”. “من خلال الجمع بين الاستشعار البصري غير الخطي، الذي يقلل بشكل فعال من ضوضاء الخلفية، مع تصميم خالي من التضخيم، توفر طريقتنا توازنًا متميزًا بين السرعة والدقة.”
نجاح اختبار سرطان الرئة في المصل البشري
ولتقييم الأداء في العالم الحقيقي، ركز الباحثون على miR-21، وهو مؤشر حيوي لـ microRNA مرتبط بسرطان الرئة. وبعد التأكد من قدرة الجهاز على اكتشاف miR-21 في محلول منظم متحكم فيه، قاموا باختباره باستخدام مصل بشري من مرضى سرطان الرئة لمحاكاة اختبار الدم الفعلي.
وقال تشانغ: “لقد عمل المستشعر بشكل جيد للغاية، مما يدل على أن دمج البصريات والمواد النانوية والبيولوجيا يمكن أن يكون استراتيجية فعالة لتحسين الجهاز”. “كان المستشعر أيضًا محددًا للغاية – حيث تجاهل خيوط الحمض النووي الريبي الأخرى المماثلة واكتشف فقط هدف سرطان الرئة.”
الهدف التالي هو تقليص النظام البصري. ويهدف الباحثون إلى تطوير نسخة محمولة يمكن استخدامها بجانب السرير، أو في العيادات الخارجية، أو في المناطق النائية ذات الموارد الطبية المحدودة.
المصدر :- Health & Medicine News — ScienceDaily
