به گزارش پایگاه اصلاع رسانی بنیان، تشخیص زودهنگام امکان مداخله به موقع در بسیاری از بیماری‌ها را قبل از پیشرفت به مرحله شدید، اغلب با هزینه کمتر درمان را فراهم می‌کند. این امر به ویژه در مورد سرطان بسیار مهم است، زیرا مرحله توسعه سرطان در زمان تشخیص اولیه به طور قابل توجهی بر پیش آگهی و میزان بقای بیمار تأثیر می‌گذارد. بنابراین، معاینات منظم پزشکی می‌تواند بقا و کیفیت زندگی بهتر را تضمین کند. با این حال، انبوه موارد معاینه پزشکی باعث می‌شود این تجربه هم دوست داشتنی و هم منفور باشد. با آزمایش‌ها و روش‌های مختلفی که باید انجام شود، این فرآیند اغلب می‌تواند بخش قابل توجهی از روز را مصرف کند. در این مرحله، ممکن است تعجب کنید که اگر همه بیماری‌ها از طریق یک آزمایش خون سه دقیقه ای ساده نشان داده شوند، چقدر راحت است. پیشرفت تکنولوژی مدرن پزشکی به تدریج این آرزو را به واقعیت تبدیل می‌کند. در واقع، وجود تعداد قابل توجهی از سرطان‌ها را می‌توان با بررسی سلول‌های تومور در گردش (CTCs) در خون پیشنهاد کرد. با این حال، غلظت این CTCها اغلب بسیار کم است و کمتر از حد تشخیص ابزارهای فعلی است. برای پرداختن به این موضوع، فناوری جداسازی سلولی نویدبخشی خوبی را نشان می‌دهد. جداسازی سلولی به فرآیند جداسازی یک گروه خاص از سلول‌ها از یک نمونه بیولوژیکی، مانند خون یا بافت، با حذف سایر جمعیت‌های سلولی اشاره دارد. از طریق تکنیکهای جداسازی سلولی، می توان کمیت و غلظت یک نوع سلول خاص را در یک نمونه بیولوژیکی افزایش داد، به همین دلیل است که این فرآیند به عنوان غنی سازی سلولی نیز شناخته می‌شود. این فناوری کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌های مختلف از جمله تحقیقات بیولوژیکی، تشخیص بیماری، سلول درمانی، غربالگری دارو و تجزیه و تحلیل ژن پیدا می‌کند. به عنوان مثال، با غنی سازی CTCها در خون، انجام آزمایش‌های خون برای غربالگری سرطان در مراحل اولیه امکان پذیر می‌شود و ارزش تشخیصی چنین معایناتی را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد. اخیراً، یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه گریفیث مقاله‌ای تحقیقاتی با عنوان موانع نامتقارن امکان فوکوس و جداسازی اینرسی یک‌ طرفه در میکروکانال سینوسی را فراهم می‌کنند در مجله‌ی معتبر Cyborg and Bionic Systems به عنوان بخشی از برنامه اقدام عالی مجله علم و فناوری چین منتشر کرده است. در مطالعه خود، آن‌ها یک روش جدید غنی‌سازی سلولی را پیشنهاد کردند که از موانع نامتقارن در میکروکانال‌های منحنی برای دستیابی به تمرکز اینرسی یک ‌طرفه استفاده می‌کند که منجر به افزایش غلظت سلول‌های تومور از 1% به بیش از 90% می‌شود. چگونه آن‌ها به چنین سطح بالایی از غنی سازی سلولی دست یافتند؟ پاسخ در استفاده از یک میکروکانال سینوسی با ساختارهای موانع نامتقارن نهفته است.

نظریه جدایی

برای روشن کردن مکانیسم پشت اثر مرتب‌ سازی سلولی میکروکانال سینوسی، می‌توان با پدیده‌ای مشابه مشاهده ‌شده در دنیای طبیعی مقایسه کرد، کانال‌های پرپیچ و خم رودخانه. در مسیرهای مستقیم رودخانه، اثر انسدادی رسوب در امتداد هر دو ساحل منجر به سرعت جریان کمتر در طرفین می‌شود، در حالی که جریان مرکزی سرعت بیشتری را نشان می‌دهد. با این حال، در کانال‌های رودخانه پرپیچ و خم، سواحل بیرونی خم‌های محدب، سرعت جریان بالاتری را در مقایسه با سواحل داخلی تجربه می‌کنند. در نتیجه، افزایش سرعت جریان در سمت بیرونی فرسایش بیشتر ساحل را تسهیل می‌کند و در نتیجه میزان پیچ خوردگی در مسیر رودخانه افزایش می‌یابد. حتی بدون در نظر گرفتن اثر فرسایش ساحل رودخانه، اصل رسوب به سمت ساحل محدب به دلیل اختلاف فشار و اینرسی ناشی از اختلاف سرعت جریان همچنان قابل اجرا است. این اصل در کانال های میکروسیال برای جداسازی سلول به کار می‌رود. در کانال‌های منحنی، سلول‌ها به دلیل اینرسی و اختلاف فشار تمایل دارند در سمت بیرونی خم (جایی که سرعت جریان بیشتر است) جمع شوند. علاوه بر این، به دلیل اینکه سلول‌های با اندازه‌های مختلف نیروهای متفاوتی را از اینرسی و فشار تجربه می‌کنند، به تدریج از هم جدا می‌شوند. سلول‌های کوچکتر تمایل دارند به مرزهای کانال نزدیک‌تر بمانند، در حالی که سلول‌های بزرگتر تمایل بیشتری به اشغال ناحیه مرکزی دارند. بنابراین، با اجرای خم‌های متعدد در کانال، سلول‌های با اندازه‌های مختلف را می‌توان به طور موثر بر اساس اثرات ترکیبی اختلاف فشار و اینرسی ناشی از سرعت جریان جدا کرد.

شبیه سازی

نوآوری این مطالعه در ادغام برآمدگی‌ها یا فرورفتگی‌های مختلف در داخل کانال برای افزایش بیشتر بازده جداسازی سلولی ناشی از تفاوت سرعت است. محققان در ابتدا شبیه سازی‌هایی را برای بررسی توزیع میدان سرعت سیال در کانال‌های منحنی با موانع مختلف انجام دادند. از طریق شبیه‌سازی‌های عددی، آن‌ها دریافتند که معرفی برآمدگی‌ها یا فرورفتگی‌ها به عنوان موانع منجر به افزایش سرعت جریان متوسط در داخل کانال می‌شود که منجر به توزیع نامتقارن‌تر میدان سرعت می‌شود. آن‌ها فرض کردند که این توزیع میدان سرعت نامتقارن ممکن است تجمع ترجیحی سلول‌ها را در یک طرف کانال (تمرکز یک طرفه) تسهیل کند.

اعتبار سنجی آزمایش

متعاقباً، آن‌ها با تأیید اینکه وجود موانع در میکروکانال منحنی واقعاً باعث تمرکز سلول در یک طرف کانال شده است، به طور تجربی این فرضیه را تأیید کردند. علاوه بر این، آن‌ها مشاهده کردند که این اثر تمرکز یک طرفه به اندازه سلول‌ها بستگی دارد، که نشان دهنده پتانسیل جداسازی سلول‌ها با اندازه‌های مختلف بر اساس این ویژگی است. برای تأیید حدس خود، تیم تحقیقاتی در ابتدا آزمایش‌های جداسازی را با استفاده از میکروکره‌های پلی استایرن 10 میکرومتری و 15 میکرومتری انجام دادند. در زیر میکروسکوپ میدان روشن، می‌توان مشاهده کرد که در ورودی، ذرات کوچک (به رنگ آبی) و ذرات بزرگ (به رنگ قرمز) با هم مخلوط می‌شوند. با این حال، در خروجی میانی، ذرات عمدتا بزرگ قابل مشاهده هستند، در حالی که در خروجی سمت دیگر، تنها ذرات کوچک مشاهده می‌شوند. بنابراین، آیا می‌توان از این ویژگی برای جداسازی گلبول‌های سفید (8-12 میکرومتر) و سلول‌های تومور (16-18 میکرومتر) که دارای تفاوت های اندازه مشخص هستند استفاده کرد؟ برای تایید این فرضیه، محققان آزمایش زیر را انجام دادند. آن‌ها مخلوطی از رده سلولی سرطانی U87MG و گلبول‌های سفید خون (WBCs) را در نسبت 1:100 تهیه کردند و آن را به میکروکانال تزریق کردند. در خروجی کانال، مشاهده شد که سلول‌های سرطانی با اندازه بزرگ‌تر در خروجی میانی جمع می‌شوند، در حالی که WBC‌های کوچک‌تر در سمت بالایی کانال تجمع می‌یابند. تجزیه و تحلیل کمی نشان داد که پس از عبور از این میکروکانال، غلظت سلول‌های سرطانی از 1.01 درصد به 90.13 درصد افزایش یافت و آن را برای تشخیص و تجزیه و تحلیل بعدی مناسب کرد.

خلاصه و چشم انداز

این مطالعه یک رویکرد جدید برای تنظیم و کاهش موقعیت فوکوس اینرسی در میکروکانال‌ها با تعبیه موانع نامتقارن پیشنهاد می‌کند. محققان با ترکیب الگوهای موانع نامتقارن، مانند الگوهای مقعر یک طرفه، محدب یک طرفه، و مقعر محدب، در کانال‌های منحنی متقارن، الگوهای تمرکز یک طرفه منحصر به فردی را در نزدیکی دیواره‌های کناری کانال‌ها در مورد کانال‌های یک طرفه مشاهده کردند. کانال‌های مانع مقعر و مقعر محدب، که در مورد کانال‌های مانع محدب یک طرفه مشهود نبود. علاوه بر این، موقعیت فوکوس یک طرفه به اندازه ذرات حساس بود.  در اصل، با معرفی الگوهای مقعر-محدب در کانال‌های منحنی، ذرات موجود در سیال به سمت یک طرف کانال هدایت می‌شوند و این پدیده تجمع نیز به اندازه ذرات وابسته است. ذرات کوچکتر تمایل دارند نزدیکتر به مرز کانال جمع شوند. محققان با استفاده از این پدیده به جداسازی سلول‌هایی با اندازه‌های مختلف دست یافتند. به عنوان مثال، آن‌ها توانستند سلول‌های تومور را از نمونه‌های خون حاوی گلبول‌های سفید با خلوص بالا (بیش از 90٪) جدا کنند و غربالگری انواع مختلف سرطان را بر اساس آزمایش خون امکان پذیر می‌کند. با پیشرفت در فناوری میکروسیال و روش‌های تشخیص پزشکی، می‌توان تصور کرد که در آینده نزدیک، آزمایش‌های خون معمول ممکن است نظارت و تشخیص زودهنگام اکثر بیماری‌ها را فراهم کند و چشم‌انداز تشخیص پزشکی را متحول کند.

پایان مطلب./