نانوحسگرهای تشخیص سرطان

 

 

• فناوری نانو

فناوری نانو یکی از دست یافته‌های ارزشمند بشری است که ارائه راه حل‌های متنوع و نوآورانه را برای بسیاری از چالش‌های زندگی بشر محقَق می‌کند. نانوفناوری قابلیت مشاهده، دست‌کاری و مهندسی در مقیاس اتمی و مولکولی است. بر این اساس می‌توان خصوصیات مطلوب یک ماده را چندیدن برابر نمود و خصوصیات غیرمطلوب را حذف کرد؛ لذا محصول نهایی بدست آمده با این روش دارای خصوصیاتی منحصر به فرد و کارآیی بالا است. همچنین بسیاری از ساختارهایی که با فناوری نانو ارائه می‌شوند، می‌توانند خصوصیات منحصر بفردی را نمایان سازند که تاکنون در طبیعت وجود نداشته است. بهره‌گیری از این علم جدید می‌تواند، راهگشای بسیاری از نیازهای جوامع بشری باشد.

• حسگر

حسگر یا سنسور  در حقیقت، ابزار و یا ماده‌ای است که بتوان با آن یک یا چند پدیده فیزیکی یا شیمیایی خاص را  بر اساس ایجاد یک سیگنال ویژه تشخیص داد. در حسگرهای شیمیایی معمولا می‌توان به حضور و یا عدم حضور یک گونه (که با نام تخصصی آنالیت[1] شناخته می‌شود) و یا به غلظت (مقدار) آن پی برد.  در این مورد، یا حسگر به صورت کیفی (تشخیص نوع ماده و حضور یا عدم حضور آن)، و یا به صورت کمی ‌(تشخیص مقدار ماده مورد نظر و دوز آن) مورد استفاده قرار می‌گیرد. برخی حسگرها بسیار حساس هستند و می‌توانند تا مقادیر بسیار پایین از مواد را تشخیص دهند. همچنین برخی قابلیت اندازه گیری همزمان چندین عامل شیمیایی را با دقت بالا دارا می‌باشند.

• اهمیت تشخیص سرطان

امروزه شیوع سرطان در ابعاد جهانی به نحوی گسترش یافته که منجربه مرگ میلیون‌ها نفر در سرتاسر جهان شده است.  پیش بینی‌ها  نشان می‌دهد که از هر دو مرد، یک نفر خطر ابتلا به  سرطان را خواهد داشت، همچنین احتمال تشخیص سرطان در زنان، فقط بالای 30درصد می‌باشد. بیماران به دلیل روش‌های درمان این نوع بیماری، از نظر روحی و جسمی بسیار آسیب پذیر می‌شوند. تشخیص سریع و به موقع سرطان یک راه‌حل برای تعیین بهترین گزینه درمان است.  مجموعه‌ای از فعالیت‌های تحقیقاتی  بر روی تشخیص انواع مختلف سرطان در حال انجام است.  داشتن  بهترین روش برای تشخیص صحیح و درمان سریع بسیار لازم و ضروری است.

شکل 1: جهت استفاده گرافیست

 

 

• اهمیت نانوحسگرهای تشخیص دهنده سرطان

نانو حسگرها با هدف تشخیص سرطان  مورد توسعه و تولید واقع شده‌اند تا بتوانند به عنوان شالوده در پروب‌های تصویربرداری[2] و همچنین نظارت بر روند درمان  مورد استفاده قرار گیرند.  فناوری نانو و نانو مواد می‌توانند کلیه نیازهای سرطان‌شناسی را به انجام برسانند که شامل تمامی فناوری‌های پیشرفته در زمینه: ردیابی سریع و تصویربرداری از تومر، روش‌های نوین دقیق پیش‌بینی و شناسایی سرطان، غلبه بر مضرات و اثرات جانبی حاصل از شیمی‌ درمانی از طریق هدف‌گذاری سلول‌های سرطان، و درمان سرطان‌های فعال و کشنده را شامل می‌شود (شکل 2).

شکل 2: نانوحسگر تشخیص سرطان گردن از طریق آنالیز تنفس ساخت پژوهشکده EPFL  [3][1].

 

• نانو حسگرهای تشخیص دهنده سرطان

روش‌های متعددی برای تشخیص سرطان با استفاده از فناوری نانو معرفی شده است. مهمترین روش‌هایی که مورد توجه و توسعه واقع گردیده است شامل روش‌های تشخیصی با استفاده از نقاط کوانتومی[4]، روش‌های تصویرسازی تشدید مغناطیسی[5] (MRI)، نانو حسگرها و نانو زیست حسگر‌های[6] تشخیص سرطان در شرایط آزمایشگاهی  می‌شود.

الف) روش‌های تشخیصی با استفاده از نقاط کوانتومی:

نقاط کوانتومی، نانو بلورهایی از جنس مواد نیمه هادی هستند که اگر با یک منبع نور مانند لیز تحریک شوند، می‌درخشند و یا نور فلوئورسنت[7] از خود ساطع می‌کنند. این نقاط می‌توانند به ‌صورت شیمیایی با آنتی بادی‌های سطوح یا بخش‌های داخلی سلول‌های سرطانی پیوند برقرار کنند تا تشخیص و ردیابی سلول‌های سرطانی آسان شود (شکل 3). نقاط کوانتومی ‌مورد استفاده  جهت تزریق باید زیست سازگار باشند، یعنی سمی نباشند، تا بتوان آنها را وارد بدن کرد. از مزایای نقاط کوانتومی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: 1- تحریک نقاط کوانتومی آسان است، 2- حساسیت بالایی دارند، 3- به دلیل داشتن طیف نشر باریک، می‌توانند نور ساطع شده از نانو ذرات متفاوت را به صورت همزمان و با حداقل مقدار همپوشانی مورد ردیابی قرار دهند.

شکل 3: تشخیص سرطان  در موش آزمایشگاهی با استفاده از نقاط کوانتومی [2].

 

ب) روشهای تصویرسازی تشدید مغناطیسی:

تصویربرداری تشدید مغناطیسی یک روش غیر تخریبی  موفق جهت تشخیص تومرهای سرطانی می‌باشد. MRI از بعضی نقاط برتری و از بعضی جهات دیگر نسبت به ابزار دیگر در فیزیک پزشکی ضعف دارد. یکی از بزرگترین مشکلات MRI وضوح تصاویر می‌باشد. استفاده از نانو ذرات در تهیه و بهبود وضوح کیفیت تصاویر تاثیر قابل توجهی دارد. از جمله نانو ذرات مورد استفاده در این حوزه می‌توان نانو اکسید‌های آهن  ابر‌مغناطیس را نام برد که تشخیص سرطان با استفاده از MRI را به شدت افزایش می‌دهد. اخیرا  بازار چنین نانوذراتی در اروپا و آمریکا مورد توجه واقع شده است (شکل 4).

پلاسمای خون

آبی پروس

مخلوط پلاسمای خون و آبی پروس

شکل 4: استفاده از نانو ذرات آبی پروس[8]  جهت تشخیص تومر با استفاده از MRI  [3].

پ) نانو زیست حسگر‌های  تشخیص سرطان در شرایط آزمایشگاهی:

در این روش، لازم است که از فرد بیمار نمونه‌برداری شود.  نمونه‌ها می‌توانند شامل خون، ادرار، بافت بدن، بازدم افراد و … باشد. نانوحسگرها و نانو زیست حسگر‌ها به دلیل کارایی بالا باعث تغییرات اساسی در چگونگی تشخیص سرطان می‌شوند. در آزمایشگاه‌های تشخیص سرطان، با بهبود الکترود‌ها و تجهیزات با کمک فناوری نانو، زمان پاسخ دهی کوتاه شده و خطای تشخیص به حداقل می‌رسد. همچنین نانو زیست حسگر‌ها این امکان را می‌دهند که حسگرهایی کوچک و قابل حمل تولید گردد، در نتیجه بدون نیاز به مراجعه به آزمایشگاه،  تشخیص بیماری در مطب پزشک نیز امکان پذیر خواهد بود (شکل 5).

 

 

 

 

 

 

خم شدن پایه

پروتئین نشانگر تومر

آنتی بادی

شکل 5:  نانو زیست حسگر بر پایه نانوسیم[9] و یا نانوپایه[10]‌هایی که با آنتی‌بادی‌های مختلف عامل دار شده‌اند. با اتصال گزینشی پروتئین های سرطان به آنتی‌بادی و ایجاد خمش در هر پایه، می‌توان به نوع سرطان پی برد [4].

 

• بازار نانوحسگرهای تشخیص سرطان

با توجه به بحث اهمیت تشخیص به موقع سرطان، بازار گسترده‌ای  برای نانوحسگرهای این صنعت پیش بینی می‌شود.  بر اساس گزارش موسسه kalorama information، بازار حسگر‌های  تشخیص سرطان در شرایط آزمایشگاهی در سال 2014  بالغ بر 6/5 میلیارد دلار بوده است و در سال 2019 به 3/8 میلیارد دلار خواهد رسید که بخشی از آن مربوط به نانوحسگرهای تشخیص سرطان می‌باشد [5]. همچنین بر اساس گزارش موسسه Nanomarket،  انتظار می‌رود که بازار نانوحسگرهای مورد استفاده جهت تشخیص سرطان از سال 2016  رشد چشمگیری داشته باشد  و در سال 2021 به میزان 35/123 میلیون دلار برسد (شکل 6) [6].

شکل 6:  پیش بینی رشد بازار نانو حسگرهای تشخیص سرطان [6].

 

• شرکت‌های فعال در زمینه نانوحسگر‌های تشخیص دهنده سرطان

پژوهشگران مرکز ملی فناوری ‌نانو تایلند (NANOTEC) موفق به طراحی سیستم کولپوسکوپ[11] دیجیتال شدند که از آن می‌توان برای تشخیص سرطان دهانه رحم استفاده کرد. این دستگاه که با نام تجاری INSpectDX وارد بازار شده است به صورت سیار بوده و می‌توان به سرعت از آن برای شناسایی، تصویربرداری و ثبت نتایج حاصل از آزمایش‌های تشخیص سرطان استفاده کرد (شکل 7) [7].

شکل 7: دستگاه برای تشخیص سرطان لوله فالوپ تخمدان ساخت مرکز ملی فناوری ‌نانو تایلند.

شرکت miniFAB ، شرکتی است که در زمینه تولید و طراحی انواع میکرو سیال[12] جهت ساخت حسگر  فعالیت می‌کند. این شرکت کارتریج میکرو سیالی را به مرحله تولید رسانده که می‌تواند به عنوان یک نانو زیست حسگر  جهت تشخیص سرطان به کار رود  (شکل 8) [8].

شکل 8: کارتریج میکرو سیال جهت تشخیص سرطان ساخت شرکت miniFAB

 

موسسه [13]COINS در ژاپن با هدف افزایش سیستم سلامت و بهداشت  بر روی پروژه‌های متعددی سرمایه گذاری می‌کند که برخی از این پروژه‌ها را نانوحسگرهای تشخیص دهنده سرطان شامل می‌شود [9]. همچنین محققان دانشگاه استنفورد، نانوحسگرهایی را جهت تشخیص سرطان به مرحله تولید رسانده‌اند که 1000 برابر حساسیت بیشتری نسبت به روش‌های متداول دارد. این نانوحسگرها علاوه برآنکه ابعاد بسیار کوچکی دارند، می‌توانند به طور هم زمان 64 نوع پروتئین مربوط به تومر‌های سرطانی را تشخیص دهند (شکل 9) [10].

شکل 9: نانو حسگر با قابلیت تشخیص هم زمان 64 نوع پروتئین سرطان [10].

شرکت SKB[14] که از پژوهشگران دانشگاه [15]UCLA تشکیل شده است، نانوحسگری با نام تجاری OFNASET را وارد بازار کرده است که قابلیت تشخیص سریع انواع سلول سرطانی را دارد. عملکرد این سیستم به این صورت است کارتریج حاوی نمونه به داخل دستگاه قرار داده می‌شود تا نمونه از طریق میکروسیال به نانوحسگر‌ها انتقال پیدا کنند، در نهایت نتایج بر روی تلفن همراه قابل مشاهد است ( شکل 10) [11].

 

شکل 10: نانوحسگر تشخیص انواع سرطان ساخت شرکت SKB

شرکت آمریکایی Nanoivd، به طور کاملا تخصصی نانو  زیست حسگرها سیمی را تولید می‌کند که بتوان از طریق آنالیز خون، به نوع سرطان پی برد. پاسخ دهی این نانو زیست حسگر‌ها بسیار سریع و کوتاه می‌باشد [12]. شرکت اتریشی VASEMA در زمینه سلامت و تجهیزات مراقبت بیمار فعالیت می‌کند. این شرکت نانوحسگرهایی جهت تشخیص سلامت پوست را به مرحله تولید رسانده است و افراد می‌توانند وضعیت نقاطی از پوست که مشکوک به سرطان می‌باشد را به طور خانگی بررسی کنند [13].  شرکت NanoString که یک شرکت بسیار موفق در زمینه تولید سیستم‌ها و حسگرهای آنالیز ژن و DNA می‌باشد، محصولی با نام تجاری Prosigna وارد بازار کرده است که می‌تواند با دقت بسیار زیاد احتمال خطر سرطان سینه را پیش بینی کند (شکل 11) [14].

شکل 11: سیستم تشخیص سرطان سینه ساخت شرکت NanoString

NASA نانو حسگر تشخیص سرطان به شکل قاب تلفن همراه ساخته است. این قاب می‌تواند به راحتی بر روی تلفن‌های همراه قرار بگیرد و از طریق آنالیز گاز N₂O موجود در بازدم افراد، خطر ابتلا به سرطان ریه را تشخیص دهد و داده‌ها را روی صفحه گوشی همراه نمایش دهد (شکل 12) [15].

شکل 12: نانو حسگر تشخیص دهنده سرطان ریه به صورت قاب تلفن همراه ساخت NASA

 

• جمع بندی

به نظر می‌رسد امروزه به دلیل آلودگی‌های محیط زیستی، سبک زندگی و تغذیه، سرطان به طور قابل توجهی رو به افزایش است. از سوی دیگر به دلیل هزینه‌های زیاد، طولانی و دشوار بودن درمان سرطان، تشخیص به موقع سرطان جهت درمان از اهمیت زیادی برخوردار است. نانو حسگرها این امکان را می‌دهند که در زمان کوتاه‌تر و با دقت زیاد، سرطان را تشخیص داد به نحوی که آنالیز وضعیت بدن در منزل و یا مطب پزشک امکان پذیر باشد. سرمایه گذاری‌های  گسترده شرکت‌های مختلف بر روی نانوحسگر‌های تشخیص دهنده سرطان اهمیت این فناوری را نشان می‌دهد.

 

• منابع:
• http://sti.epfl.ch/page-119228.html
• Nanoparticle-facilitated functional and molecular imaging for the early detection of cancer, Leu-Wei Lo, Front. Mol. Biosci., V:1 (2014) P: 15.
• Dual purpose Prussian blue nanoparticles for cellular imaging and drug delivery: a new generation ofT1-weighted MRI contrast and small molecule delivery agents, M. Shokouhimehr, Journal of Materials Chemistry, V:20 (2010) P: 5251–5259.
• CANCER NANOTECHNOLOGY:OPPORTUNITIES AND CHALLENGES, M. Ferrari, NATURE REVIEWS, V: 5 (2005) P: 161.
• Kalorama Information, The World Market for Cancer Diagnostics, Sep 11, 2015, 6th Edition.
• NanoMarkets Report, Nanosensor Markets 2014, Nano-701.
• http://www.nanotec.or.th/en/
• http://www.minifab.com.au/
• http://coins.kawasaki-net.ne.jp/en/
• http://www.nanowerk.com/news/newsid=13050.php
• http://hspp.dent.ucla.edu/about.html
• http://www.nanoivd.com/
• http://www.vasema.com/
• http://prosigna.com/x-us/
• http://gizmodo.com/5881097/this-is-nasas-cancer-sniffing-cellphone-sensor/

[1] Analyte

[2] Imaging probes

[3] Ecole polytechnique fédérale de Lausanne

[4] Quantum  dots

[5] Magnetic resonance imaging

[6] Nanobiosensors

[7] Fluorescent

[8] Prussian blue(یک ترکیب شیمیایی با ظاهر بلور‌های آبی تیره است Fe₄[Fe(CN)₆]₃ آبی پروس با فرمول)

[9] Nanowire

[10] Nanocantilevers

[11] colposcopy

[12] microfluidic

[13] Center of Open Innovation Network for Smart Health

[14] Salivaomics Knowledge Base

[15] University of California, Los Angeles

 

 

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

• احسان فریدی، محسن سروری، صابر زارع

بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================