مقالات
در حال خواندن
کاربرد فناوری میکروسیال (LOC)
0

کاربرد فناوری میکروسیال (LOC)

توسط میلاد سکاکی۲۷ مهر, ۱۳۹۶

وجود مزایای فراوان از جمله کاهش حجم نمونه‌ها، تولید مقادیر کم ضایعات و صرفه‌جویی در وقت و هزینه، سبب شده است تا فناوری میکروسیالی کاربران فراوانی را در بخش‌های مختلف زیست شناسی، شیمی، مهندسی و پزشکی جذب کند. علاوه بر این تراشه‌های میکروسیالی می‌توانند سازنده‌ی ساختارهایی باشند که ابعاد آن‌ها متناسب با ابعاد سلول‌های پروکاریوت و یوکاریوت است. این ویژگی سبب شده فناوری میکروسیالی به صورت ویژه‌ای برای مطالعات زیست‌شناسی سلولی مفید واقع شودتوانایی تراشه‌های میکروسیالی در ایجاد محیطی متناسب با ابعاد سلول‌ها در مطالعه‌ی رفتار سلول‌ها اهمیت فراوانی دارد. در مطالعات معمولی در شیشه، رفتار و واکنش‌های مربوط به یک جمعیت سلولی بررسی می‌شود. اما با استفاده از میکروسیالی می‌توان محیط پیرامون یک سلول را کنترل نمود و تاثیرات عوامل گوناگون شیمیایی و فیزیکی بر روی یک سلول منحصر به فرد و پاسخ سلول به این عوامل را بررسی کرد. وجود جریان‌های لامینار و حرکت مواد از طریق انتشار، که به کندی صورت گیرد، قابلیت ایجاد یک شیب غلظتی را فراهم می‌سازد و می‌توان رفتار یک سلول را در یک شیب غلظتی مشاهده کرده و حتی اثر غلظت مواد را بر روی بخش‌های مختلف یک سلول بررسی نمود . ایجاد شیب غلظتی در مطالعات عصب شناسی نیز کاربرد فراوان دارد. علاوه بر این می‌توان اثرات غلظت‌های متفاوت فاکتورهای رشد را بر تمایز و تکوین سلول‌ها بررسی نمود. همچنین با استفاده از تراشه‌های میکروسیالی می‌توان محیط‌های شبه in vivo یا شبه‌بافت ساخت و رفتار یک جمعیت سلولی را بررسی کرد. این خاصیات در غربالگری‌های مربوط به مطالعات داروسازی استفاده‌ی فراوان دارد.در مطالب بعدی برخی کاربردهای سلولی و مولکولی، به صورت مختصر بحث میکنیم.

مطالعات سلول‌های بنیادی

سلول‌های بنیادی، سلول‌های ویژه‌ای هستند که توانایی تمایز به سایر انواع سلول‌ها را دارند. امروزه پژوهش‌های فراوانی برای درک عوامل موثر در تمایز سلول‌های بنیادی و ایجاد سلول‌های تمایزیافته‌ی مورد استفاده در بخش‌های درمانی انجام می‌شود؛ که در بسیاری از بخش‌ها نیز موفقیت آمیز بوده است. با این وجود استفاده از روش‌های عادی کشت سلولی محدودیت‌هایی را در این پژوهش‌ها ایجاد کرده است. از جمله این که هنوز درک صحیحی از محیط پیرامون سلول‌ها در حد میکرو، که تنظیم‌کننده‌ی تکثیر و تمایز است، وجود ندارد. محیط میکروی پیرامون سلول‌های بنیادی شامل عناصری همانند: ماده‌ی زمینه‌ای سلولی، عوامل بیوشیمیایی، عوامل فیزیک‌وشیمیایی و همچنین محرک‌های مکانیکی است. عدم توانایی تغییر محیط میکرومتری پیرامونی در روش‌های معمول کشت سبب شده تا تاثیر این عوامل در سرنوشت تمایزی سلول‌ها ناشناخته بماند. فناوری میکروسیالی یگانه ابزاری است که امکان کنترل محیط پیرامونی سلول‌ها را در ابعاد میکرو ایجاد می‌کند و علاوه بر آن میزان استفاده از سلول‌ها و محلول‌های گران قیمت را به حداقل می‌رساند

به عنوان نمونه در سال ۲۰۰۵ سیستم میکروسیالی ایجاد کننده‌ی شیب غلظت، برای بهینه‌سازی تکثیر و تمایز سلول‌های بنیادی عصبی در محیط کشت، معرفی شد. سلول‌های بنیادی عصبی انسانی، به مدت بیش از یک هفته در این دستگاه کشت داده شدند؛ در حالیکه در این زمان تحت اثر شیب غلظتی مخلوطی از فاکتورهای رشد شامل فاکتور رشد اپیدرمی (EGF)، فاکتور رشد فیبروبلاستی (FGF2) و فاکتور رشد مشتق از پلاکت (PDGF) قرار داشتند. تکثیر و تمایز سلول‌های بنیادی عصبی به استروسیت با استفاده از روش میکروسکوپی و ایمونوسیتوشیمی دیده شد. سلول‌‌ها در تمام مدت کشت سالم باقی مانند و با درجات متفاوتی متناسب با غلظت فاکتور رشد تمایز یافتند

بررسی حرکت شیمیوتاکسی نوتروفیل

سیستم میکروسیالی ایجاد کننده‌ی شیب غلظت، به منظور مطالعه‌ی حرکت نوتروفیل‌ها در شیب غلظتی اینترلوکین

در سال ۲۰۰۲ یک سیستم میکروسیالی معرفی شد که به کمک آن مهاجرت نوتروفیل‌ها براثر فرایند شیمیوتاکسی در یک شیب غلظتی از مواد جاذب شیمیایی بررسی می‌شود. این سیستم از یک بخش ایجاد‌کننده‌ی شیب غلظت و یک بخش برای رصد‌کردن رفتار سلول‌ها تشکیل شده است. بخش ایجاد کننده‌ی شیب غلظت، شبکه‌ای از میکرو کانال‌های مرتبط است که بلافاصله بعد از قسمت ورودی قرار گرفته‌اند. این سیستم دو ورودی دارد. به اولین ورودی محلول HBSS و به دومین ورودی HBSS به همراه ماده‌ی جاذب شیمیایی وارد می‌شوند. این دو محلول در شبکه‌ای از کانال‌ها مرتبا از هم تفکیک شده؛ ترکیب شده و با هم مخلوط می‌شوند و در نهایت یک مجموعه‌ی افزاینده از کانال‌ها و غلظت ایجاد می‌شود. در پایان شبکه، تمامی کانال‌ها به هم می‌پیوندند و یک میکرو کانال عریض می‌سازند که در طول آن یک شیب غلظتی وجود دارد. این کانال اصلی به عنوان بخش رصد استفاده می‌شود؛ که سلول در آن قرار داده شده و رفتار آن مورد بررسی قرار می گیرد.

مطالعه‌ی بخشی از سلول( مطالعه‌ی اکسون‌ها)

مطالعه‌ی جداگانه‌ی اکسون‌ها با استفاده از سیستم‌های میکروسیالی

یک دستگاه میکروسیالی برای مطالعه‌ی جداگانه‌ی اکسون‌ها طراحی شده است. این دستگاه از دو بخش مجزا تشکیل شده که به صورت فیزیکی از هم جدا می‌شوند. در میان مانع فیزیکی، شیارهایی قرار دارد که جوانه‌های عصبی می‌توانند در آن‌ها رشد کنند؛ در حالی که سیالات توانایی عبور از این شیارها را ندارند و جابه‌جایی مواد بین دو بخش انجام نمی‌گیرد. سلول‌ها در بخش جسم سلولی کشت داده می‌شوند. پس از سه تا چهار روز، جوانه‌های عصبی رشد کرده و از درون شیارها به بخش عصب نفوذ می‌کنند. اجسام سلولی توانایی عبور از شیارها را ندارند. بنابراین زوائد عصبی به تنهایی در بخشی جدا رشد می‌کنند.
از این سیستم می‌توان برای مطالعه‌ی فرآیند میلین‌دار شدن، صدمات اکسونی و باز زایی آن‌ها بهره برد. همچنین این تراشه برای تحقیقات در زمینه‌ی بیماری‌های اکتسابی مرتبط با اکسون، مانند آلزایمر کاربرد دارد.

آنالیز اسیدهای نوکلئیک

شکل شماتیک و تصویر یک سیستم مرکب برای آنالیز DNA. مراحل آماده سازی نمونه، انجام PCR و تشخیص به وسیله‌ی میکرواری، همگی در یک دستگاه انجام می‌شوند

یکی از کاربردهای مهم و برجسته‌ی سیستم‌های میکروسیالی مطالعات اسیدهای نوکلئیک است. ابتدا سیستم‌هایی طراحی شدند که قادر به انجام یکی از آنالیزهای ژنتیکی مانند PCR، جداسازی قطعات DNA بر اساس اندازه و یا Microarray بودند و از DNA خالص به عنوان ورودی استفاده می‌کردند. در سال ۲۰۰۴ دستگاه میکروسیالی ساخته شد که در آن از نمونه‌ی خون به عنوان ورودی استفاده می‌شود و تمامی فرآیندهای آماده‌ سازی نمونه، استخراج DNA از نمونه، ازدیاد، هیبرید‌کردن و شناسایی DNA را انجام می دهد.

مطالعات دارویی

در صنایع داروسازی طیف وسیعی انجام این آزمایش‌های سلولی و مولکولی انجام می‌شود. انجام این آزمایش‌ها به وسیله‌ی سیستم‌های ماکرو محدودیت‌هاى فراوانی از جمله زمان طولانی و صرف هزینه‌های بالا، رو‌به‌روست. استفاده از سیستم‌های میکروسیالی راه حل بسیار مناسبی برای غلبه بر این محدودیت‌ها‌ست. این سیستم‌ها در تمام مراحل کشف دارو و تکمیل مراحل توسعه قابل استفاده هستند .
از جمله در مرحله‌ی انتخاب و بررسی پروتئین هدف دارویی، یک سیستم مختلط میکروسیالی طراحی شده است که تمامی مراحل را شامل لیز سلول، نشان‌دار کردن، جداسازی و تعیین کمیت محتوای پروتئینی انجام می‌دهد . در مرحله‌ی بعد این پروتئین باید جداسازی شده و به منظور تعیین ساختار کریستاله شود. سیستم‌های میکروسیالی ساخته شده‌اند که با بهره‌گیری از لوله‌های موئین و خاصیت ایزوالکتریک، پروتئین‌ها را در زمانی بسیار کوتاه و با دقت و بازده بالا تفکیک می کنند . همچنین برای تهیه کریستال از چندین نوع تراشه‌ی میکروسیالی استفاده می‌شود که تا سال ۲۰۰۷ توانسته‌اند کریستال دوازده نوع پروتئین مختلف را که با روش‌های معمول قادر به تهیه آن نبوده‌اند، تهیه کنند .
در تمامی مراحل شناسایی مولکول دارو و غربالگری‌های مربوط به آن و همچنین بررسی اتصال دارو به مولکول هدف نیز از سیستم‌های میکروسیالی استفاده می‌شود. در مرحله‌ی پیش کلینیکی نیز برای انجام آزمایش‌هایی از قبیل بررسی سمیت دارو بر سلول‌های طبیعی و بیمار . ، اثرات جمعی داروها بر درمان  و اثر دارو بر بافت خونی حیوانات به صورت مستقیم و بدون نیاز به نمونه گیری  سیستم‌های میکروسیالی طراحی شده است. در بخش مطالعات کلینیکی هم این سیستم‌ها کاربرد دارند به عنوان نمونه سیستم‌های میکروسیالی سیلیکونی طراحی شده‌اند که قادرند با تحریک الکتریکی دارو را رها سازند و غلظت مناسبی از دارو را بر اساس اثرات زیستی آن انتخاب کرده و با اعمال یک چرخه‌ی رهاسازی در بدن بیمار این غلظت را ثابت نگاه دارند .

 بهداشت عمومی

یکی از مهم‌ترین کاربردهای سیستم‌های میکروسیالی، زیست پزشکی و کاربردهای مرتبط با آن است که حجم کمی از نمونه‌ها را نیاز دارد؛ قابل استفاده به وسیله‌ی افراد غیرمتخصص است و هزینه‌ها را کاهش می‌دهد. تاکنون تعداد زیادی سیستم‌های میکروسیالی ساخته شده که در بخش‌های تشخیصی کاربرد دارند. به نظر می‌رسد در آینده‌ای نزدیک با انجام اصلاحاتی در این فناوری می‌توان ابزارهای میکروسیالی تشخیصی ساخت به گونه‌ای تمامی تکنسین‌ها در آزمایشگاه‌های تشخیصی، زیست‌شناسان، مأمورین پلیس، کارمندان مراکز درمانی عمومی و حتی مردم عادی در منزل قادر به استفاده از آن‌ها باشند

در آخر همان‌گونه که ذکر شاد به دلیل کاربردهای متنوع و فراوان سیستم‌های میکروسیالی و همچنین انعطاف‌پذیری بالای آن‌ها برای تولید ساختارهای جدید، استفاده از این سیستم‌ها جذابیت فراوانی دارد. در حال حاضر انواع مختلفی از این دستگاه‌ها طراحی شده‌اند. با این وجود این فناوری تنها در بخش‌های تحقیقاتی مورد استفاده است و نتوانسته به عنوان یک فناوری کاربردی وارد بازار مصرف شود. به این منظور، باید اصلاحاتی در نحوه‌ی کاربرد و هزینه‌های آن صورت گیرد؛ تا تبدیل به یک تکنیک همگانی و قابل استفاده به وسیله‌ی کاربران غیرمتخصص شود.
علاوه بر این فناوری میکروسیالی، هنوز نتوانسته است ارتباط مناسبی با صنعت برقرار کند. برای برقراری این ارتباط، باید یک تفاهم دوجانبه میان مراکز دانشگاهی و صنعتی صورت گیرد. مراکز دانشگاهی باید قیمت اولیه‌ی ایده‌های خود را کاهش داده و در مقابل کاربران بخش صنعت، ریسک تجاری‌سازی این ایده‌ها را بپذیرند

واکنش شما چیست؟
I like it
92%
interested
8%
Hate it
0%
What
0%
درباره نویسنده
میلاد سکاکی

دانشجوی مهندسی مکانیک

پاسخ بدهید