آمادهسازی نمونه خون یکی از مهمترین و در عین حال زمانبرترین مراحل در بسیاری از آزمایشهای تشخیصی و پژوهشهای زیستپزشکی است. اکنون پژوهشگران با توسعه یک تراشه میکروفلوئیدیکی برنامهپذیر نشان دادهاند که میتوان تنها با تغییر دما، شرایط جداسازی ذرات و سلولها را داخل یک کانال واحد تغییر داد؛ رویکردی که میتواند مسیر طراحی سامانههای کوچکتر، انعطافپذیرتر و خودکارتر برای آمادهسازی نمونه را باز کند.
ایده اصلی چیست؟
این سامانه بر پایه روش Deterministic Lateral Displacement یا DLD کار میکند. در DLD، مجموعهای از ریزستونها داخل کانال قرار میگیرند. سلولها و ذرات بسته به اندازه و رفتار مکانیکی خود، هنگام عبور از این آرایه مسیرهای متفاوتی طی میکنند. در سامانههای کلاسیک، اندازه و فاصله این ستونها ثابت است و بنابراین آستانه جداسازی نیز از قبل تعیین شده است.
پژوهش جدید این محدودیت را با استفاده از ریزستونهای ساختهشده از هیدروژل حساس به دما، یعنی PNIPAM، هدف قرار داده است. این پلیمر با تغییر دما منبسط یا منقبض میشود؛ در دماهای پایینتر ستونها متورم شده و فاصله بین آنها کمتر میشود، در حالی که با افزایش دما کوچکتر شده و شکاف عبور ذرات افزایش پیدا میکند.
چرا کنترل دما مهم است؟
در یک تراشه معمولی، برای تغییر اندازه سلولی که باید جدا شود، اغلب لازم است هندسه تراشه از نو طراحی و ساخته شود. اما در این معماری، آستانه جداسازی میتواند با دما تنظیم شود. پژوهشگران برای این کار از عناصر پلتیر در بخشهای مختلف تراشه استفاده کردند تا یک پروفایل حرارتی کنترلشده در طول کانال ایجاد شود.
به این ترتیب، یک سلول ممکن است در بخشی از تراشه وارد حالت «جابجایی جانبی» شود و در بخش دیگری به مسیر زیگزاگی برگردد. همین قابلیت باعث میشود یک تراشه واحد بتواند چند مرحله جداسازی را پشت سر هم انجام دهد.
نتایج پژوهش چه بود؟
گروه پژوهشی مؤسسه Science Tokyo ابتدا مخلوطهایی از ذرات پلیمری با اندازههای مختلف را آزمایش کرد. سه جمعیت ذرهای با قطرهای حدود 13، 9.94 و 5.65 میکرومتر با خلوص گزارششده حدود 92.9، 90 و 97.8 درصد از یکدیگر جدا شدند. سپس با تغییر بازه دمایی، همان تراشه توانست نحوه گروهبندی و جداسازی جمعیتهای مختلف را بدون تغییر در ساختار فیزیکی خود عوض کند.
در مرحله بعد، پژوهشگران خون کامل رقیقشده را که با سلولهای سرطان پستان MCF-7 غنی شده بود بررسی کردند. تراشه توانست سلولهای سرطانی، گلبولهای سفید و گلبولهای قرمز را به خروجیهای مختلف هدایت کند. پس از پردازش نیز 94.8 درصد از سلولهای MCF-7 زنده باقی ماندند؛ نکتهای مهم برای کاربردهایی که پس از جداسازی به آنالیز مولکولی، کشت سلولی یا بررسی عملکرد سلول نیاز دارند.
این فناوری چه تفاوتی با جداسازی معمولی دارد؟
مزیت اصلی این روش فقط کوچک بودن تراشه نیست؛ بلکه قابلبرنامهریزی بودن جداسازی است. در روشهای متداول، فیلترها، سانتریفیوژ یا تراشههای با هندسه ثابت معمولاً برای یک بازه مشخص از اندازه ذرات بهینه میشوند. اما در تراشه حساس به دما، همان آرایه میتواند با تغییر شرایط حرارتی برای یک نمونه یا هدف متفاوت تنظیم شود.
آیا این همان جداسازی سلول با سرد و گرم کردن مستقیم سلولهاست؟
خیر. دما در اینجا بیشتر بهعنوان یک «کلید مکانیکی» برای تغییر ابعاد ریزستونهای پلیمری عمل میکند. یعنی هدف اصلی این نیست که سلول با گرما یا سرما تغییر کند، بلکه ساختار میکروسکوپی داخل تراشه با دما تغییر میکند و در نتیجه مسیر عبور سلولها عوض میشود.
چرا برای آمادهسازی نمونه خون مهم است؟
در بسیاری از آزمایشهای پیشرفته مانند بررسی سلولهای توموری در گردش، فلوسایتومتری، آنالیز تکسلولی و برخی روشهای مولکولی، کیفیت مرحله آمادهسازی نمونه میتواند مستقیماً بر نتیجه نهایی اثر بگذارد. اگر بتوان جداسازی چندمرحلهای را داخل یک تراشه کوچک انجام داد، احتمال کاهش مراحل دستی، مصرف معرف، حجم نمونه و خطاهای کاربری وجود دارد.
در سناریوی آینده، چنین فناوریهایی میتوانند بخشی از سامانههای Lab-on-a-Chip باشند؛ سامانههایی که دریافت نمونه، جداسازی، شستوشو، تغلیظ و حتی آنالیز نهایی را در یک پلتفرم مجتمع انجام میدهند.
محدودیتها و چالشهای پیش رو
این فناوری هنوز یک سامانه پژوهشی است و برای ورود گسترده به آزمایشگاههای تشخیصی باید چند مسئله حل شود: افزایش توان عملیاتی برای حجمهای بالاتر خون، کنترل دقیق و سریع دما، جلوگیری از گرفتگی کانالها، پایداری هیدروژل در استفاده طولانیمدت و اعتبارسنجی با نمونههای بالینی متنوع.
پژوهشگران نیز افزایش تعداد نواحی کنترل حرارتی، استفاده از کانالهای موازی و افزودن حسگرهای دمایی یکپارچه را از مسیرهای توسعه بعدی معرفی کردهاند.
جمعبندی
تراشههای میکروفلوئیدیکی حساس به دما نشان میدهند که نسل بعدی آمادهسازی نمونه ممکن است به جای تکیه بر هندسه ثابت، «قابل برنامهریزی» باشد. اگر این فناوری از مرحله پژوهشی به سامانههای پایدار و پرظرفیت برسد، میتواند به توسعه ابزارهای کوچکتر و خودکارتر برای جداسازی سلولی و آمادهسازی نمونه خون کمک کند.
برای مطالعه مطالب بیشتر درباره فناوریهای آزمایشگاهی و تحولات تجهیزات تشخیصی، به مجله و وبسایت TOP مراجعه کنید.
منابع
- Institute of Science Tokyo – A spatially programmable microfluidic chip for multi-stage particle and cell separation
- Lab on a Chip – Spatially programmable deterministic lateral displacement for multi-stage microfluidic separation
- Lab on a Chip – Tunable cell separation using a thermo-responsive deterministic lateral displacement device