ساخت حسگر میکروسوزنی برای آشکارسازی اختلال کلیه و کبد

 فناوری‌های پوشیدنی در حال تغییر دادن نحوه مدیریت سلامتی افراد هستند. مانیتورهای گلوکز که سطح قند خون را در بیماران مبتلا به دیابت اندازه‌گیری می‌کنند، قدرت ردیابی یک مولکول مهم را در لحظه نشان داده‌اند. گام بعدی فناوری‌های پوشیدنی، ردیابی سایر مولکول‌های مهم پزشکی است، اما انجام دادن این کار هم دشواری‌های خود را دارد؛ زیرا بیشتر این مولکول‌ها در غلظت‌های بسیار پایین‌تری نسبت به گلوکز وجود دارند.

به نقل از مدیکال‌اکسپرس، یکی از حوزه‌هایی که این فناوری‌های پوشیدنی می‌توانند متحول کنند، دارودرمانی است. بسیاری از داروهای قوی هنوز از طریق آزمایش‌های خون مدیریت می‌شوند که تنها گاهی اوقات تصاویری را از نحوه پردازش درمان در بدن بیمار ارائه می‌دهند. برای داروهایی که باید دقیقاً دوزبندی شوند تا از آسیب جلوگیری شود، پزشکان ممکن است نقطه‌ای را که دوزبندی بی‌اثر می‌شود یا اندام‌های مسئول پردازش دارو را تهدید می‌کند، از دست بدهند.

یک گروه پژوهشی به سرپرستی «دانشگاه کالیفرنیا لس‌آنجلس»(UCLA) یک پلتفرم حسگر میکروسوزنی ابداع کرده‌اند که برای حل کردن این مشکل از طریق نظارت مداوم و با حداقل تهاجم در پوست طراحی شده است. پژوهشگران در آزمایش روی موش‌ها نشان دادند که این حسگرها می‌توانند به مدت ۶ روز به طور مداوم کار کنند، غلظت داروها را در طول زمان ردیابی کنند و با اندازه‌گیری سرعت دفع این داروها توسط بدن، اطلاعاتی را درباره عملکرد کلیه و کبد ارائه دهند.

این پیشرفت می‌تواند از آینده‌ای پشتیبانی کند که در آن پزشکان به بهترین شکل می‌توانند دوز دارو را در لحظه شخصی‌سازی کنند و در صورت آغاز کاهش عملکرد اندام‌ها، زودتر مداخله داشته باشند. فراتر از نظارت بر دارو، این فناوری می‌تواند به نظارت مولکولی مداوم در طیف وسیع‌تری از بیماری‌ها کمک کند که بروز تغییرات در آنها، اطلاعات مهمی را درباره سلامتی و پاسخ به درمان به همراه دارد.

«سام امامی‌نژاد»، دانشیار مهندسی برق و رایانه در دانشکده مهندسی «ساموئلی»(Samueli) دانشگاه کالیفرنیا لس‌آنجلس و عضو «مؤسسه نانوسیستم‌های کالیفرنیا»(CNSI) در این دانشگاه گفت: ما نشان می‌دهیم که اندازه‌گیری‌های انجام‌شده فقط یک میلی‌متر زیر پوست می‌توانند اطلاعات بالینی قابل پیگیری را درباره اندام‌های عمیق بدن آشکار کنند. با نظارت مداوم بر داروهای ویژه و نحوه پردازش آنها توسط کلیه‌ها یا کبد می‌توانیم اختلال عملکرد اندام را زودتر تشخیص دهیم و درمان را با دقت بیشتری هدایت کنیم.

یک حسگر میکروسوزنی معمولاً با حمل مولکول‌های حسگر روی سطح خود کار می‌کند که برای تشخیص یک هدف خاص طراحی شده‌اند. هنگامی که ماده شیمیایی مورد نظر به یکی از مولکول‌های حسگر متصل می‌شود، سیگنال الکتریکی تولیدشده در سوزن را تغییر می‌دهد.

حسگر بازطراحی‌شده‌ این گروه پژوهشی، از مولکول‌های حسگر محافظت می‌کند و حساسیت میکروسوزن را نیز تا حد زیادی افزایش می‌دهد. این کار از طریق یک پوشش طلای چسبنده قوی با حفره‌های نانومقیاس - ویژگی‌های سطحی ریز که فقط در مقیاس میلیاردم متر قابل مشاهده هستند - انجام می‌شود. هنگامی که مولکول‌های حسگر متصل می‌شوند، بسیاری از آنها درون این حفره‌ها قرار می‌گیرند و در آنجا از سایش توسط پوست و تجمع پروتئین‌ها و سایر مواد بیولوژیکی که می‌توانند در حسگر اختلال ایجاد کنند، بهتر محافظت می‌شوند.

این محافظت به افزایش عملکرد حسگر در موش‌ها کمک کرد. سطح بافت‌دار به طور چشمگیری ناحیه فعال موجود برای تشخیص را نیز گسترش داد. «جیالون ژو»(Jialun Zhu) از پژوهشگران این پروژه گفت: با افزایش سطح مؤثر به تقریباً ۱۰۰ برابر یک میکروسوزن صاف، فضای بسیار بیشتری را برای سنجش مولکول‌ها به وجود آوردیم و در عین حال به محافظت از آنها هنگام استفاده در بافت کمک کردیم. ما سیگنال را افزایش و نویز را کاهش دادیم.

از آنجا که این فناوری بسیار حساس است، یک میکروسوزن برای نظارت بر یک هدف مولکولی کافی بود. این امر، فضایی را برای یک حسگر گسترده‌تر ایجاد می‌کند. نسخه‌های آینده می‌توانند از سوزن‌های گوناگون در همان پچ برای ردیابی هم‌زمان چندین مولکول استفاده کنند. همچنین، پژوهشگران نشان دادند که این پلتفرم می‌تواند از بیش از یک نوع شیمی حسگر پشتیبانی کند و با روش‌های مبتنی بر DNA و آنتی‌بادی‌های مهندسی‌شده کار کند.

پژوهشگران با در نظر گرفتن تولید در آینده، فرآیند ساخت را به گونه‌ای طراحی کردند که مقیاس‌پذیر باشد. در حال حاضر، هزینه تولید انبوه هر کدام از این میکروسوزن‌ها حدود ۱.۵۰ دلار است.

پژوهشگران در آزمایش‌های پیش‌بالینی این پژوهش از میکروسوزن‌ها برای ردیابی دو دارو استفاده کردند؛ یک داروی شیمی‌درمانی که توسط کبد پردازش می‌شود و یک آنتی‌بیوتیک که توسط کلیه‌ها دفع می‌شود. امامی‌نژاد گفت: این‌ها داروهایی هستند که اگر دوز مصرفی آنها کم باشد، ممکن است آن طور که انتظار می‌رود، عمل نکنند. اگر دوز مصرفی آنها خیلی زیاد باشد، می‌توانند به همان اندام‌هایی که سعی در پاکسازی آنها دارند، آسیب برسانند.

پژوهشگران با ردیابی مداوم افزایش و کاهش سطح دارو توانستند میزان عملکرد این اندام‌ها را تخمین بزنند. موش‌های مبتلا به آسیب کبدی، تأخیر را در دفع داروی شیمی‌درمانی نشان دادند و موش‌های مبتلا به آسیب کلیوی، تأخیر در دفع آنتی‌بیوتیک را نشان دادند.

پژوهشگران در یک آزمایش، موش‌ها را طی دو هفته بدتر شدن اختلال عملکرد کلیه و سپس دو هفته درمان با هدف تحریک بهبودی تحت نظر قرار دادند. داده‌های حاصل از میکروسوزن، کاهش در پاکسازی دارو و بهبود پس از آن را نشان دادند.

پژوهشگران دریافتند که اندازه‌گیری‌های میکروسوزن در طول هفته اول آسیب کلیوی، اختلال در پاکسازی دارو را نشان می‌دهند. در آن مرحله، کراتینین خون - نشانگر زیستی مرسوم که معمولاً برای ارزیابی عملکرد کلیه استفاده می‌شود - زیر آستانه‌های سیگنال‌دهی آسیب باقی ماند. این نتیجه نشان می‌دهد که این پلتفرم ممکن است بتواند تغییرات بالینی مرتبط را زودتر از آزمایش‌های استاندارد در برخی بیماری‌ها تشخیص دهد.

هدف بعدی پژوهشگران، سوق دادن این فناوری به سمت آزمایش‌های انسانی است. امامی‌نژاد گفت: ما می‌خواهیم مشخص کنیم که آیا این نوع نظارت می‌تواند به جلوگیری از آسیب ناشی از آنتی‌بیوتیک‌ها و شیمی‌درمانی کمک کند. با تشخیص زودهنگام مشکل و تنظیم سریع‌تر درمان، یک فرصت واقعی برای محافظت بهتر از بیماران در برابر عوارض جانبی درمان‌های قوی وجود دارد. این روش به طور گسترده‌تر می‌تواند نظارت مولکولی مداوم را به بسیاری از اهداف دیگر گسترش دهد، مراقبت را هدایت کند و مشکلات سلامتی را زودتر آشکار سازد.

این پژوهش در مجله «Science Translational Medicine» به چاپ رسید.