استفاده از بیوسنسور ها در تشخیص سرطان

به گزارش روابط عمومی پایگاه اطلاع رسانی علوم آزمایشگاهی ایران، سرطان سومین عامل مرگ ومیر در کشور های در حال توسعه از جمله ایران است. این بیماری در کشور های توسعه یافته دومین عامل مرگ ومیر است. در ایران سالانه بیش از 30/000 نفر بر اثر ابتلا به این بیماری جان خود را از دست می دهند. در مورد سرطان دو فاکتور محیط (الکل، سیگار، پرتو و مواد شیمیایی) و وراثت (جهش های ارثی و اختلال سیستم ایمنی) خطر ابتلا به این بیماری را افزایش می دهند. همچنین در سرطان هایی مانند معده و دهانه رحم به ترتیب آلودگی های باکتریایی و ویروسی خطر ابتلا را افزایش داده است.
ظهور فناوری بیوسنسور ها و استفاده از آن ها امکان تشخیص زود هنگام و درمان مؤثرتر را خصوصاً در مورد سرطان هایی که در مراحل انتهایی تشخیص داده می شوند یا به درمان پاسخ ضعیفی دارند، فراهم کرده است. سرطان به دلیل انباشته شدن جهش های ژنتیکی و اختلالات اپی ژنتیکی که در نهایت باعث رشد غیرقابل کنترل سلول می شوند، به وجود می آید. سلول های سرطانی به صورت ذاتی به مرگ برنامه ریزی شده سلولی (آپوپتوز) و عوامل دفاعی جلوگیری کننده از رشد مقاوم هستند. در مراحل نهایی بیماری، سلول های سرطانی از مکان اولیه خود حرکت کرده و در نقاط مختلف بدن لانه گزینی می کنند که متاستاز نامیده می شود، در این هنگام بیماری غیرقابل درمان است. دو مکانیسم مشترک در تومورزایی، فعال شدن آنکوژن ها و غیرفعال شدن ژن های سرکوب کننده تومور (TGS) است.

بیوسنسور ها و سرطان
بیوسنسور وسیله ای است که یک آنالیت بیولوژیکی را خواه در محیط و یا درون بدن، مورد شناسایی قرار می دهد. اطلاعات وجود یا عدم وجود آنالیت (شامل پروتئین، نوکلئیک اسید و ترکیبات متابولیکی مانند گلوکز) و همچنین سطح آن در این وسایل به پالس های الکتریکی تبدیل شده و پس از تقویت شدن، نمایش داده می شود. در پزشکی از بیوسنسور ها برای مانیتورینگ سطح قند خون در افراد دیابتی، تشخیص پاتوژن ها و همچنین تشخیص و مانیتورینگ سرطان استفاده شده است. در مورد سرطان، آنالیت، بیومارکر های توموری هستند که از طریق اندازه گیری سطح آنها، وجود یا عدم وجود سرطان، بدخیمی یا خوش خیمی و همچنین مؤثر بودن یا نبودن درمان، قابل تشخیص است.
یک بیوسنسور دارای سه جز است: عنصر شناسایی کننده مبدل سیگنال و پردازش کننده سیگنال است.
عنصر شناسایی کننده از اجزای ضروری یک بیوسنسور بوده و شناسایی اختصاصی آنالیت موردنظر را از طریق مکمل بودن (از نظر شکل فضایی) عنصر شناسایی کننده و آنالیت انجام می دهد. گیرنده ای سطح سلولی یکی از این عناصر شناسایی کننده هستند. این گیرنده ها در حالت طبیعی در زمان اتصال به لیگاند خود، فرایند های بسیار مهمی ازجمله فعال کردن یک G پروتئین، پروتئین کیناز یا فسفاتار و همچنین تغییراتی در کانال های یونی و … انجام می دهند، اما باید توجه داشت این گیرنده ها، تاخوردگی مناسب خود را تنها زمانی که درون غشاء هستند به دست می آورند، بنابراین استفاده از گیرنده های خالص شده در بیوسنسور ها تا حدودی عملکرد و پایداری آنها را تحت تأثیر قرار دهد.

عنصر شناسایی کننده یک بیوسنسور
آنتی بادی ها
بیوسنسور هایی که در آنها عنصر شناسایی کننده، آنتی بادی است تحت عنوان ایمونوسنسور ها شناخته می شود. شناسایی آنالیت توسط این عناصر بسیار اختصاصی و سریع بوده و همچنین نیاز به خالص سازی آنالیت موردنظر برای شناسایی وجود ندارد. در برخی موارد برای استفاده از آنتی بادی در بیوسنسور ها، باید آنها را برچسب گذاری نمود. گاهی این برچسب گذاری توسط رنگ های فلورسنت انجام می شود که نمونه های آن را می توان در ایمونوسنسور های دارای مبدل های نوری مشاهده کرد و یا در ایمونوسنسور های الکتروشیمیایی آمپرومتریک از آنزیم های اکسیداسیون احیایی مثل HRP برای این کار استفاده می شود. در بعضی از موارد مانند ایمونوسنسور هایی که از مبدل های FET یا میکروکانی لور استفاده می کنند، آنتی بادی بدون برچسب استفاده می شود. بیوسنسور تشخیص سرطان پروستات که امروزه بصورت بالینی مورد استفاده قرار می گیرد، از عنصر شناسایی کننده آنتی بادی ضد PSA (anti-PSA) استفاده می کند.

آنزیم ها
آنزیم های آلوستریک دارای پتانسیل بالایی برای استفاده در بیوسنسورها هستند، به این صورت که بخش تنظیمی آنزیم به عنوان عنصر شناسایی کننده و بخش کاتالیتیک آنزیم به عنوان مبدل مورداستفاده می گیرد. برای مثال در مورد سنسور گلوکز که از آنزیم گلوکز اکسیداز استفاده می کند، آنزیم گلوکز اکسیداز در حضور اکسیژن، گلوکز را اکسید کرده و تولید گلوکونولاکتون و پراکسید هیدروژن می کند و همزمان یک مبدل آمپرومتریک میزان مصرف اکسیژن و تولید پراکسید هیدروژن را به مقدار قند خون تبدیل می کند.

نوکلئیک اسید
آپتامر ها از نوکلئیک اسید هایی هستند که به دلیل شکل فضایی خاص که از طریق تاخوردگی به دست آورده و مکمل مولکول هدف است، به مولکول موردنظر اتصال اختصاصی و پایداری برقرار می کند و به این دلیل در بیوسنسور ها بعنوان عنصر شناسایی کننده، بسیار مورداستفاده قرار گرفته اند. شیوه انتخاب و تولید این عناصر که از طریق جستجو در میان کتابخانه ای بزرگ از الیگونوکلئوتید های تصادفی برای اتصال اختصاصی به یک مولکول هدف است روش SELEX، باعث شده است برای جستجوی بیومارکر های سرطانی جدید مورد استفاده قرار گیرد. از مزایای آپتامر ها در مقایسه با آنتی بادی ها می توان به هزینه پایین تولید و پایداری بیشتر اشاره کرد، اما ازنظر اختصاصی بودن، به طور میانگین آنتی بادی ها همچنان بهتر هستند.

مبدل در بیوسنسورها
پس از شناسایی یک آنالیت (بیومارکر سرطانی) توسط عنصر شناسایی کننده، تغییراتی از نظر خصوصیات نوری، الکتروشیمیایی، جرمی و یا گرمایی در مبدل اتفاق می افتد که پس از مقایسه آن با حالت پایه (عدم وجود آنالیت)، مبدل مقدار آنالیت را به سیگنال الکتریکی قابل فهم برای پردازشگر تبدیل می کند. به صورت کلی مبدل ها در چهار گروه: الکتروشیمیایی (بعنوان مثال آمپرومتریک، پتانسیومتریک)، مبدل های نوری (بعنوان مثال فلورسنت، لومینسنت)، مبدل های جرمی (پیزوالکتریک) و مبدل های کالریمتریک (که به دلیل عدم استفاده از این مبدل ها در بیوسنسورهای تشخیصی سرطان، موردبحث واقع نمی شود) قرار می گیرند. به دلیل اهمیت این جزء، تقسیم بندی بیوسنسور ها نیز همین اساس انجام می شود.

& بیوسنسور های نوری
این بیوسنسور ها از مبدل های نوری استفاده می کنند که در آنها، میزان تغییرات طول موج نور و یا رزونانس پلاسمون سطح (SPR) که براثر شناسایی آنالیت بوجود می آید، به صورت الکتریکی در آمده که قابل تفسیر است، برای مثال بیوسنسور های کریستال فوتونی با اندازه گیری نور منعکس شده توسط کریستال، مکان و زمان اتصال و جدا شدن سلول ها و مولکول ها را از سطح کریستال تشخیص می دهند. توسط این بیوسنسور تغییرات سلول های سرطان پستان (آپوپتوز یا تکثیر) در مواجهه با داروی دکسوروبیسین، تعیین شده است.
امروزه با کشف بیومارکر های سرطانی جدید که دارای اختصاصیت و همبستگی زیاد با بیماری سرطان هستند، راه برای تشخیص این بیماری توسط بیوسنسور ها هموار شده است. یکی از خصوصیات مهم در بیوسنسور ها که آنها را برای تشخیص زود هنگام مناسب می سازد، توانایی استفاده از چندین بیومارکر سرطانی در یک آزمایش است، چرا که در بعضی از موارد، بالا بودن یک بیومارکر، همبستگی بالایی با بیماری نداشته و نتایج مثبت کاذب ما را گمراه کند. همچنین ورود نانوتکنولوژی به قسمت های مختلف یک بیوسنسور، علاوه بر کوچک سازی، اختصاصیت را زیاد کرده و با شناسایی بیومارکر ها در غلظت های کم (مراحل اولیه بیماری)، تشخیص زود هنگام بیماری سرطان را ممکن می سازد. با اینکه کوچک سازی بیوسنسورها، امکان تولید دستگاه های POC& (خودمراقبتی) را افزایش می دهد؛ اما باید توجه داشت که حرکت از سمت نمونه های آزمایشگاهی بیوسنسور به سمت دستگاه های POC که در آنها آنالیز نمونه ها در زمان و مقیاس بسیار کم انجام می شود، نیاز به بررسی و آزمایش های بیشتر دارد.