يمكن لجهاز استشعار ضوئي يتكون من نانودودات ذهبية أن يوفر بيانات في الوقت الفعلي عن إنتاج الأنسولين في جهاز على الرقاقة يحاكي البنكرياس.
.jpg)
يستخدم المستشعر البصري العضو على رقاقة مصفوفات من العصي النانوية الذهبية الموجودة في وسط الشريحة التي يبلغ عرضها 2.5 سم. تحتوي العصيات النانوية على أجسام مضادة للأنسولين مرتبطة بسطحها. عندما يرتبط جزيء الأنسولين بأحد هذه الأجسام المضادة ، يغير نانورود المقابل "اللون" ، مما يعني أن طول موجة الرنين الخاص به يتغير.
يشبه العضو على رقاقة مختبرًا صغيرًا حيث يمكن اختبار الأدوية والمواد الكيميائية الأخرى على مجموعة من الخلايا الحية. هذه الأجهزة المدمجة ، التي تكرر وظائف الأعضاء الأساسية من خلال الجمع بين مزارع الخلايا والموائع الدقيقة والإلكترونيات ، يمكن أن تقلل من الحاجة إلى إجراء التجارب على الحيوانات. يوضح العمل الجديد على البنكرياس على رقاقة طريقة الكشف البصري التي يمكن أن توفر مراقبة في الوقت الحقيقي لكمية الأنسولين التي ينتجها البنكرياس.
"هذه هي المرة الأولى التي تُستخدم فيها الرقائق الضوئية لإجراء اكتشاف في الوقت الفعلي في عضو على شريحة" ، كما قال أحد المطورين ، وهو رومان كويدانت ، الذي انتقل مؤخرًا من معهد العلوم الضوئية في برشلونة إلى المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا (ETH) في زيورخ ، "يمكننا في الواقع متابعة إنتاج الأنسولين بواسطة خلايا البنكرياس بينما نغير البيئة على الرقاقة."
لأكثر من عقد من الزمان ، كان الباحثون يطورون أعضاءً على رقاقة تستخدم خلايا مستنبتة من الكبد والدماغ والقلب وأعضاء أخرى. يتم دمج الخلايا داخل جهاز ميكروفلويديك يضخ المغذيات ويفرغ النفايات. أظهرت الدراسات السابقة أن الأعضاء على رقاقة يمكنها إعادة إنتاج وظائف بيولوجية ، مثل استجابة أنسجة الرئة للعدوى البكتيرية. أحد الدوافع الرئيسية لتقنية الأعضاء على الرقاقة هو أنها يمكن أن تحل محل التجارب على الحيوانات. يوضح Javier Ramón-Azcón من معهد برشلونة للعلوم والتكنولوجيا في إسبانيا قائلاً: "يمكنك إعادة إنتاج أو تقليد وظائف أنسجة معينة ، وبعد ذلك يمكنك استخدام الرقائق لاختبار الأدوية أو دراسة الأمراض".
لكن مراقبة الأعضاء على الرقاقة تتم عادة من الشريحة وبتأخر زمني كبير. تتضمن الطريقة التقليدية جهاز بحث يستخرج سائلًا من الرقاقة ثم إدخال أجسام مضادة تستهدف جزيئات معينة. عندما يرتبط جسم مضاد بهدفه ، فإنه ينتج إشارة ضوئية ، مثل انبعاث الفلورسنت. يمكن أن يستغرق إجراء هذا ما يسمى بالمقايسة المناعية عدة ساعات. توصل كويدانت ورامون أزكون وزملاؤهم إلى طريقة كشف أكثر مباشرة يمكنها توفير بيانات في الوقت الفعلي. مثل هذه المراقبة المستمرة أمر مرغوب فيه لدراسة إنتاج الأنسولين وعمليات التمثيل الغذائي الأخرى التي يمكن أن تختلف على مدى فترات زمنية لا تتجاوز بضع دقائق. قدم كويدانت هذا العمل الشهر الماضي في اجتماع Photoptics 2022 عبر الإنترنت.
.jpg)
(يسار) صورة لأسطوانة سليلوز بعرض 10 مم تحتوي على خلايا بنكرياسية في العضو على رقاقة. (يمين) صورة مجهرية تكشف عن مجموعة من خلايا البنكرياس بعرض 100 ميكرومتر (أزرق) محاطة بجزيئات الأنسولين (حمراء) وألياف السليلوز (خضراء).
تعتمد طريقة اكتشاف الباحثين على التفاعل بين الضوء والأجسام النانوية. يقول كويدانت: "باستخدام البصريات النانوية ، يمكنك القيام بأشياء لا يمكنك القيام بها باستخدام البصريات التقليدية". عندما يصطدم الضوء بقضيب أو كرة نانوية الحجم ، تتركز الحقول الكهرومغناطيسية على سطح الجسم. تستخدم مجموعة كويدانت الضوء المركّز في عدد من التطبيقات ، مثل التحفيز الضوئي والتدفئة الموضعية. لمراقبة عضو على رقاقة ، يستخدمون الضوء المركز لاستشعار وجود جزيء معين - في هذه الحالة الأنسولين.
يتكون كاشف الفريق من صفائف من العصي النانوية الذهبية على ركيزة زجاجية. العصي النانوية عبارة عن رنانات ضوئية تشتت الضوء عند طول موجي محدد يبلغ حوالي 800 نانومتر. لكن الطول الموجي للرنين هذا يعتمد على بيئة سطح نانورود. باستخدام الطرق الكيميائية ، يربط الفريق الأجسام المضادة للأنسولين بالعناصر النانوية. عندما يرتبط جزيء الأنسولين بجسم مضاد ، فإنه يؤدي إلى حدوث تحول في الطول الموجي للرنين النانوي. يقارنه كويدانت بوضع إصبع على وتر الغيتار. يغير الجسم المضاد معامل الانكسار على السطح ، بالضبط حيث يركز نانورود مجال الضوء. يقول كويدانت: "إذا أدخلت اضطرابًا صغيرًا حيث يتركز الحقل فعليًا ، يمكن أن يكون لديك تأثير قوي جدًا".
أظهر الباحثون هذا المستشعر البصري من خلال توصيله ببنكرياس على رقاقة طورته مجموعة الأحياء التابعة لرامون أزكون. في هذا الاختبار ، استخرجت المجموعة خلايا البنكرياس من الفئران وزرعتها في أسطوانات مسامية بعرض 10 ملم مصنوعة من السليلوز. تم وضع اثنتين من هذه الأسطوانات - تحتوي كل واحدة منها على حوالي نصف مليون خلية - في نظام ميكروفلويديك ، يتدفق من خلاله سائل مليء بالمغذيات بمعدل 50 ميكرولتر (قطرة دمعة تقريبًا) في الدقيقة. حوّل الباحثون بعضًا من هذا السائل إلى شريحة منفصلة حيث يوجد المستشعر البصري.
لتتبع الرنين النانوي ، سلط الفريق الضوء على المصفوفات وقام بتحليل الضوء المرسل بمقياس الطيف. من خلال قياس التحولات الصغيرة التي تبلغ حوالي 10 بيكو-متر في الطول الموجي للرنين ، وجد الفريق أنه بإمكانهم اكتشاف الأنسولين عند مستوى 0.85 ميكروغرام / مل - وهي حساسية مماثلة لحساسية المقايسات المناعية التقليدية. في تجارب منفصلة ، أضاف الفريق السكر (الجلوكوز) إلى البنكرياس على رقاقة ولاحظ ارتفاعًا في مستويات الأنسولين ، مما يعني أن خلايا البنكرياس تعمل بشكل صحيح.
بناءً على هذا العرض التوضيحي الناجح ، يعمل الباحثون في اتجاهات متعددة لتحسين النظام. يحاول فريق كويدانت دمج المستشعر البصري مباشرةً مع العضو بحيث يمكن وضع النظام بأكمله في جهاز واحد بحجم الهاتف الذكي. يجمع فريق رامون أزكون الآن ثلاثة أعضاء - البنكرياس والكبد والعضلات الهيكلية - على شريحة واحدة. سيسمح لهم هذا النهج متعدد الأعضاء بتقليد تفاعلات الأعضاء التي يُعتقد أنها تلعب دورًا في أصل مرض السكري.
يقول فريق رامون أزكون أن شركات الأدوية بدأت الاستثمار في تقنية عضو على شريحة كطريقة محتملة لإجراء اختبار عالي الإنتاجية للأدوية المرشحة. يمكن أن يقلل الحجم الصغير والطبيعة المحددة للأعضاء على الرقاقة من مقدار الوقت اللازم لجلب الأدوية الواعدة إلى التجارب السريرية. يقول فريق رامون أزكون: "يمكننا الحصول على تنبؤات أكثر دقة لاستجابة الإنسان بشريحة لأننا نستخدم الخلايا البشرية بدلاً من الحيوانات".
المصدر