به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، محققان اخیراً یک پلتفرم میکروفلوئیدیکی ارائه داده‌اند که به شکلی ساده و مقرون‌به‌صرفه قادر است سلول‌های تومور در گردش (CTC) را از نمونه خون جدا کرده و به‌طور بسیار منتخب جذب کند. در این رویکرد، از برگه‌های پلی‌کربنات با آرایه‌هایی از میکرو-مِخروط‌ها استفاده شده که با فناوری چاپ داغ نانویی  (T‑NIL) ساخته شده‌اند. سطح این مخروط‌ها که تقریباً ۳۰ میکرومتر ارتفاع و قطر دارند، به‌صورت ناهموار نانومقیاس خاک‌خورده است که به‌صورت طبیعی جذب آنتی‌بادی را افزایش می‌دهد بدون نیاز به پیوند شیمیایی پیچیده . در مرحله بعدی، این ورق نانوساختاری به سادگی بین یک صفحه شیشه‌ای و یک لایه انعطاف‌پذیر PDMS قرار گرفته است و یک کانال مگاپ (microgap) بین پیکره‌ مخروط‌ها و سقف بالا ایجاد می‌شود که جریان خون را هدایت می‌کند؛ درحالی‌که آنتی‌بادی ضد EpCAM مستقیماً روی سطح مخروط‌ها خشک شده و آماده جذب سلول‌های تومور است . یک ویژگی کلیدی این سیستم، کنترل زاویه آرایش آرایه برجستگی‌ها نسبت به جهت جریان است. وقتی ردیف‌های مخروط‌ها با جریان موازی باشد (زاویه ۰°)، عملکرد در سرعت‌های بالاتر افت می‌کند، اما در زاویه‌های ۱۵° و ۳۰° شبکه مخروط‌ها طوری قرار می‌گیرد که جریان سلول‌ها مسیر منحرف‌شده‌ای می‌گیرند، برخوردهای بیشتری با سطوح مخروطی رخ می‌دهد و در نتیجه گیراندازی سلول‌های تومور بسیار مؤثرتر است . در نمونه آزمایشی با سلول‌های سرطان سینه MCF‑7 و سلول‌های A549 از سرطان ریه، در دستگاههایی با زاویه ۱۵ یا ۳۰ درجه، حداکثر بیش از ۹۰٪ سلول‌های تومور جذب شدند حتی در نرخ جریان بالا. همچنین درصد ناخالصی (سلول‌های سفید باقی­مانده) کمتر از ۰٫۱٪ بود و انتخاب‌پذیری بالا ثبت شد . سپس، پژوهشگران قابلیت رنگ‌آمیزی در محل (in situ immunostaining) را پس از جذب بررسی کردند و سلول‌ها بدون جابجایی دوباره قابل مشاهده و تشخیص بودند، که نشان‌دهنده قابلیت کاربردی این ابزار در تشخیص بالینی است.

نحوه عملکرد پلتفرم میکروفلوئیدی

مطالعه مروری منتشرشده درباره “روش‌های بیوفیزیکی و بیوشیمیایی یکپارچه برای جداسازی و تحلیل CTCها” نشان می‌دهد که ترکیب ویژگی‌هایی مانند اندازه، انعطاف‌پذیری سلول، و نشانگرهای سطحی (مانند (EpCAM  در طراحی دستگاه‌های جداسازی می‌تواند عملکرد را بهبود دهد. روش‌های مختلفی مانند جداسازی فیزیکی یا بیولوژیکی به‌صورت تک یا ترکیبی استفاده شده‌اند . در گزارش دیگر از بررسی پیشرفت‌های ادغام آرایه‌های میکرو/نانوساختار در دستگاه‌های میکروفلوئیدیک، روشهایی مانند میکرورود، نانوسیم و ساختارهای پیچیده سه‌بعدی معرفی می‌شوند که برای افزایش برخورد سلول‌های تومور با سطوح جذب‌کننده طراحی شده‌اند. دستگاه‌هایی با آرایه مرتب مخروطی یا نانومیله‌ای حجم سطح فعال بسیار بالایی دارند و می‌توانند سلول‌های نادر را به‌طور گزینشی جدا کنند . در هر دو مقاله مروری که مطالعه شدند، به اهمیت ساختار سه‌بعدی سطح و گزینش نشانگر (marker selection) اشاره شده است. رویکرد مقاله جدید دقیقاً با استفاده از آرایه مخروطی سه‌بعدی با زاویه‌گذاری هوشمند، این دو ویژگی را یک‌جا به کار می‌گیرد تا جذب آنتی‌بادی و برخورد سلول‌ها به حد بهینه برسد طرحی که از ترکیب مفاهیم این بررسی‌ها الهام گرفته اما خود پیاده‌سازی ملموسی را ارائه می‌دهد.

نحوه کار سیستم

ابتدا ورق نازکی از پلی‌کربنات با ضخامت حدود ۲۵۰ میکرومتر توسط قالب‌های آلومینیومی ایجاد شده با لیزر ساخته می‌شود تا میکرو مخروط‌هایی به قطر و ارتفاع ۳۰ میکرومتر در الگوی چگال شش‌ضلعی شکل گیرند. سطح هر مخروط، ناهموار نانومقیاسی است که پس از ساخت به‌عنوان بستری جذاب برای جذب آنتی‌بادی عمل می‌کند. پس از تزریق محلول آنتی‌بادی ضد EpCAM  رقیق‌شده به ناحیه مرکزی ورق و خشک‌سازی آن، ورق بین یک لایه PDMS و یک شیشه قرار می‌گیرد و یک کانال جریان مشخص شکل می‌گیرد. سطح خارجی مخروط‌ها لکه‌هایی از آنتی‌بادی دارد که پس از شست‌وشو مقاوم بوده و جذب قوی را تضمین می‌کند . سپس نمونه خون رقیق‌شده با سلول‌های توموری مارک‌شده (MCF‑7 یا  (A549 به کانال با نرخ جریان بین ۲۰ تا ۲۰۰ میکرولیتر در دقیقه وارد می‌شود. سلول‌ها به‌طور ناگهانی در مسیرهای میان مخروط‌ها حرکت کرده، تصادفاتی با سطح مخروط‌ها دارند و در نهایت روی آنتی‌بادی جذب می‌شوند. در حالت کنترل بدون آنتی‌بادی حدود ۲۵٪ سلول‌ها به‌صورت فیزیکی گیر می‌افتند، که پایین‌تر از نمونه اصلی است، اما جذب غیر اختصاصی بسیار محدود است .

در بررسی زاویه‌های آرایه، زاویه ۰° عملکرد خوب در نرخ پایین دارد ولی در نرخ‌های بالاتر افت می‌کند، در حالی که زاویه‌های ۱۵° و ۳۰° تا نرخ ۱۰۰ میکرولیتر در دقیقه نیز بیش از ۹۰٪ سلول‌ها را جذب می‌کنند، با انتخاب‌پذیری حدود ۷۰٪—که رغم افزایش جریان، نتیجه بسیار چشمگیری است . در رنگ‌آمیزی پس از جذب، سلول‌های تومور به‌صورت قرمز/آبی و لکوسیت‌ها تنها آبی دیده شدند و سلول‌ها در مکان خود باقی ماندند، بدون جابجایی از کانال تحت جریان چند مرحله‌ای واکنش‌دهنده‌ها.

مزایا و وجه تمایز این طرح با دیگر روش‌ها

• ساخت و تولید ساده و کم‌هزینه با فناوری T‑NIL قابل مقیاس‌سازی برای تولید در حجم بالا.
• جذب آنتی‌بادی بدون مراحل شیمیایی پیچیده، به‌واسطه جذب فیزیکی روی سطح نانوخشن.
• طراحی زاویه‌دار آرایه مخروطی که هم برخورد سلول‌ها را افزایش می‌دهد و هم جریان را با نرخ بالا حفظ می‌کند.
• قابلیت انتخاب‌پذیری بالا با حذف عمده لکوسیت‌ها و جذب سلول‌های سرطان، حتی در نمونه‌های خون رقیق‌شده با تعداد کم.
• امکان رنگ‌آمیزی و شناسایی سلول‌ها پس از جذب بدون نیاز به جابجایی یا جدا کردن از بستر.
•  

تغییر مسیر جریان برای شکار بهتر سلول‌های سرطانی

در طراحی جدید ارائه‌شده، تنها افزودن یک زاویه به آرایه مخروط‌ها توانسته‌ است تفاوت چشمگیری در میزان موفقیت جذب سلول‌های سرطانی ایجاد کند. در شرایطی که بیشتر دستگاه‌های میکروفلوئیدیکی با آرایه‌های صاف یا متقارن کار می‌کنند، این طراحی با زاویه‌دار کردن آرایش مخروط‌ها نسبت به جهت جریان، منجر به ایجاد مسیرهای غیرخطی برای سلول‌های عبوری شده است. این انحراف‌ها باعث برخورد بیشتر سلول‌ها با سطح مخروطی شده و احتمال گیر افتادن آن‌ها را به طرز قابل‌توجهی بالا برده است. وقتی زاویه مخروط‌ها ۳۰ درجه تنظیم شد، حتی در نرخ‌های بالای جریان، گیراندازی سلول‌ها به بالای ۹۰٪ رسید. در مقابل، وقتی مخروط‌ها در امتداد جریان قرار داشتند (زاویه صفر درجه)، در همان شرایط میزان گیراندازی افت محسوسی داشت. این یافته‌ها نشان می‌دهند که تنها با اعمال یک تنظیم هندسی ساده می‌توان به بهبود عملکردی بزرگ در جداسازی سلول‌های نادر خون دست یافت—بدون نیاز به افزودن مواد یا مراحل فرآوری پیچیده.

تثبیت آنتی‌بادی‌ها بدون نیاز به پیوند شیمیایی

از نکات برجسته این سیستم، استفاده هوشمندانه از سطح نانومقیاس خشن برای تثبیت آنتی‌بادی‌هاست. برخلاف روش‌های رایج که نیاز به پیوندهای کووالانسی یا اتصال‌های واسطه‌ای پیچیده دارند، در این طراحی، تنها با خشک‌کردن محلول آنتی‌بادی روی سطح نانوخشن مخروط‌ها، لایه‌ای پایدار و مؤثر ایجاد می‌شود. این فرآیند ساده نه‌تنها باعث کاهش چشمگیر هزینه‌ها و زمان ساخت می‌شود، بلکه از مراحل حساس شیمیایی که ممکن است زیست‌سازگاری آنتی‌بادی را کاهش دهد نیز جلوگیری می‌کند. بررسی‌های بعدی نشان دادند که پس از شست‌وشو و ورود خون رقیق‌شده، این آنتی‌بادی‌ها همچنان توان جذب بالایی داشته و انتخاب‌پذیری بالایی نسبت به سلول‌های با نشانگر EpCAM  از خود نشان می‌دهند. این روش نه‌تنها تولید را ساده‌تر می‌کند، بلکه به ساخت دستگاه‌هایی با قابلیت کاربرد بالینی و تولید انبوه نزدیک‌تر می‌شود، چیزی که در اکثر فناوری‌های مشابه هنوز یک چالش عمده به‌شمار می‌آید.

جمع‌بندی و چشم‌انداز کاربردی

در پایان، تحقیق حاضر مدلی کاربردی، ساده، موثر و قابل ساخت انبوه برای تشخیص غیر تهاجمی سرطان از طریق نمونه خون ارائه می‌دهد. طراحی هوشمندانه میکروساختاری‌ها، ویژگی برجسته این کار است. این روش در مقایسه با بسیاری طرح‌های دقیق اما پیچیده یا گران‌قیمت میکروفلوئیدیکی، رویکردی پرکاربرد و کلید به دست آوردن نتایج بالینی سریع و با هزینه‌ پایین است. با‌ای‌ حال، لازم است در ادامه تحقیقات روی نمونه‌های واقعی بیماران با تعداد بسیار اندک سلول‌های CTC انجام شود و همچنین طرحی با چند آنتی‑بادی برای انواع مختلف سلول‌های تومور بررسی شود. مدل‌سازی محاسباتی CFD برای بهینه‌سازی زاویه، فاصله و توزیع مخروط‌ها نیز می‌تواند عملکرد را حتی بیشتر بهبود ببخشد . به‌طور هم‌زمان، این کار بر اهمیت انتخاب هوشمند ساختارهای میکرو/نانوساختاری از نوع آرایه‌های مخروطی تأکید می‌کند، همان‌طور که بررسی‌های مروری اخیر نشان داده‌اند، چنین ساختارهایی بیشترین کارایی را در جذب سلول‌های نادر دارند . رویکردی ترکیبی و همه‌جانبه که علاوه‌بر بهره‌گیری از مزایای ساختاری، به‌منظور تشخیص سریع، دقیق و مقرون‌به‌صرفه سلول‌های توموری کاربردی ساخته است.

پایان طلب./