محققان دانشگاه ولیعصر رفسنجان موفق به ساخت حسگری زیستی شده‌اند که میتواند جهت تشخیص گونه‌ای پروتئین (ترومبین) در نمونه خون و مایع مغزی نخاعی بیماران مختلف به کار گرفته شود. این حسگر از حساسیت و سرعت تشخیص بالایی برخوردار است و تشخیص به کمک آن مقرون به صرفه خواهد بود.
زیست‌حسگرها، ابزاری جهت تشخیص ترومبین در خون و مایع مغزی نخاعی
اندازه‌گیری و تعیین پروتیئن‌ها در نمونه‌های زیستی، نقش مهمی در درمان‌های پزشکی، مهندسی زیستی و ایمنی و بهداشت مواد غذایی دارد. اگرچه پیشرفت‌های شایانی در تشخیص سریع پروتئین‌ها در نمونه‌های زیستی صورت گرفته است، اما جهت بهبود روش‌های تشخیص سریع، آسان و قطعی پروتئین‌ها، همچنان پژوهش‌های زیادی در حال انجام است. یکی از این پروتئین‌ها، ترومبین است که نقشی اساسی در انعقاد خون، انحلال لخته و ترمیم بافت دارد. ترومبین همچنین میتواند به عنوان یک هورمون برای تنظیم تجمع پلاکت‌ها، فعال سازی سلولهای اندوتلیال و سایر پاسخهای مهم در زیست شناسی عروقی عمل کند. در شرایط عادی، غلظت ترومبین در خون در طول پیشرفت انعقاد از nM تا μM متغیر است. بنابراین، توسعه حسگرهای تشخیص ترومبین با حساسیت بالا و انتخابی برای تحقیقات و نیز برنامه‌های تشخیص بالینی از اهمیت بالایی برخوردار است.
به گفته‌ی دکتر اسماعیل حیدری بفروئی- عضو هیأت علمی دانشگاه ولیعصر رفسنجان- در بین روش‌های تشخیصی موجود، اخیراً روش‌های زیست‌تشخیصی الکتروشیمیایی بدون برچسب و به طور ویژه زیست‌حسگر‌هایی بر پایه DNA به شدت مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است. هدف اصلی این طرح نیز ساخت زیست حسگری بر پایه‌ی آپتامر DNA، جهت تشخیص پروتئین ترومبین در خون و مایع مغزی نخاعی افراد مبتلا به بیماری‌های مختلف بوده است.
وی در ادامه افزود: «در طراحی این زیست‌حسگر الکتروشیمیایی، از آپتامر اختصاصی ترومبین (جایگزین آنتیبادی) استفاده شده است. همچنین از نانولولههای کربنی چند دیواره (MWCNTs) و نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید (TiO2) به منظور افزایش سطح و هدایت الکتریکی حسگر استفاده شده است.»
این آپتاحسگر برای اندازه‌گیری ترومبین در نمونه‌ی خون و مایع مغزی نخاعی افراد مبتلا به بیماری‌های پارکینسون، MS، صرع، پلی‌نوروپاتی و یک نمونه خون سالم به‌کار گرفته شده است.
حیدری بفروئی در خصوص عملکرد این آپتاحسگر در آزمایش‌های صورت گرفته گفت: «نتایج نشان داد که آپتاحسگر طراحی شده دارای حد تشخیص بسیار پایین (۱fmol/L) و محدوده خطی وسیع بین fmol/L 50 تا nmol/L 10 است. همچنین آپتاحسگر پیشنهاد شده دارای تکرارپذیری، تکثیرپذیری، پایداری و حساسیت بالایی است. در نهایت با مقایسه نتایج به دست آمده با روش استاندارد الایزا، کاربردپذیری و قابلیت آن در آنالیز نمونه‌های خون و مایع مغزی نخاعی افراد سالم و بیمار به اثبات رسیده است. لذا می‌توان با ادامه مطالعات و امکان تولید انبوه، از زیست حسگر تهیه شده در مراکز درمانی و تشخیص‌های کلینیکی به عنوان آزمایش آنتی‌ترومبین استفاده کرد.»
در این کار، جهت بررسی شکل و ساختار سطح زیست‌حسگر از آزمون‌های طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی، ولتامتری چرخه‌ای و روش‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری و همچنین از روش‌های XRD و طیف سنجی بازتابشی انتشاری (DRS) استفاده شده است.
این محقق در خصوص نوآوری این کار در مقایسه با مطالعات مشابه ابراز کرد: «اگرچه کارهای بسیاری در دنیا جهت تشخیص الکتروشیمیایی ترومبین انجام شده است، ولی استفاده‌ی همزمان از MWCNT و نانوذرات TiO2 و شیف باز سنتزی، جهت بهبود حساسیت تا کنون گزارش نشده است. نتایج به دست آمده حاکی از آن است که نانوذرات TiO2 و MWCNT با یکدیگر نقش تعاملی داشته و باعث افزایش کارایی، حساسیت و بهبود سیگنال الکتروشیمیایی در اندازه‌گیری ترومبین میشوند. همچنین با استفاده از نانوذرات به کارگرفته شده کیفیت تثبیت آپتامر در سطح بستر بهبود یافته و باعث افزایش شدید حساسیت و پایداری آن شده است.»
در واقع با تثبیت آپتامر بر روی الکترود اصلاح شده با نانوذرات TiO2 و MWCNT و سپس برهمکنش بین آپتامر و مولکول هدف (ترومبین)، اتصال و پیوند بین آنالیت و آپتامر بر روی سطح الکترود برقرار شده که این باعث تغییر در پیکربندی آپتامر و تغییر در رفتار الکتروشیمیایی آن میشود.
این تحقیقات حاصل تلاش‌های دکتر اسماعیل حیدری بفروئی، دکتر مهدی هاتفی اردکانی – اعضای هیأت علمی دانشگاه ولیعصر رفسنجان- و مریم امینی- دکترای شیمی و دانش‌آموخته‌ی دانشگاه صنعتی اصفهان- است. نتایج این کار در مجله‌ی Biosensors and Bioelectronic با ضریب تأثیر ۷/۷۸ (جلد ۸۵، سال ۲۰۱۶، صفحات ۸۲۸ تا ۸۳۶) منتشر شده است.
به گفته‌ی دکتر اسماعیل حیدری بفروئی- عضو هیأت علمی دانشگاه ولیعصر رفسنجان- در بین روش‌های تشخیصی موجود، اخیراً روش‌های زیست‌تشخیصی الکتروشیمیایی بدون برچسب و به طور ویژه زیست‌حسگر‌هایی بر پایه DNA به شدت مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است. هدف اصلی این طرح نیز ساخت زیست حسگری بر پایه‌ی آپتامر DNA، جهت تشخیص پروتئین ترومبین در خون و مایع مغزی نخاعی افراد مبتلا به بیماری‌های مختلف بوده است.
وی در ادامه افزود: «در طراحی این زیست‌حسگر الکتروشیمیایی، از آپتامر اختصاصی ترومبین (جایگزین آنتیبادی) استفاده شده است. همچنین از نانولولههای کربنی چند دیواره (MWCNTs) و نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید (TiO2) به منظور افزایش سطح و هدایت الکتریکی حسگر استفاده شده است.»
این آپتاحسگر برای اندازه‌گیری ترومبین در نمونه‌ی خون و مایع مغزی نخاعی افراد مبتلا به بیماری‌های پارکینسون، MS، صرع، پلی‌نوروپاتی و یک نمونه خون سالم به‌کار گرفته شده است.
حیدری بفروئی در خصوص عملکرد این آپتاحسگر در آزمایش‌های صورت گرفته گفت: «نتایج نشان داد که آپتاحسگر طراحی شده دارای حد تشخیص بسیار پایین (۱fmol/L) و محدوده خطی وسیع بین fmol/L 50 تا nmol/L 10 است. همچنین آپتاحسگر پیشنهاد شده دارای تکرارپذیری، تکثیرپذیری، پایداری و حساسیت بالایی است. در نهایت با مقایسه نتایج به دست آمده با روش استاندارد الایزا، کاربردپذیری و قابلیت آن در آنالیز نمونه‌های خون و مایع مغزی نخاعی افراد سالم و بیمار به اثبات رسیده است. لذا می‌توان با ادامه مطالعات و امکان تولید انبوه، از زیست حسگر تهیه شده در مراکز درمانی و تشخیص‌های کلینیکی به عنوان آزمایش آنتی‌ترومبین استفاده کرد.»
در این کار، جهت بررسی شکل و ساختار سطح زیست‌حسگر از آزمون‌های طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی، ولتامتری چرخه‌ای و روش‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری و همچنین از روش‌های XRD و طیف سنجی بازتابشی انتشاری (DRS) استفاده شده است.
این محقق در خصوص نوآوری این کار در مقایسه با مطالعات مشابه ابراز کرد: «اگرچه کارهای بسیاری در دنیا جهت تشخیص الکتروشیمیایی ترومبین انجام شده است، ولی استفاده‌ی همزمان از MWCNT و نانوذرات TiO2 و شیف باز سنتزی، جهت بهبود حساسیت تا کنون گزارش نشده است. نتایج به دست آمده حاکی از آن است که نانوذرات TiO2 و MWCNT با یکدیگر نقش تعاملی داشته و باعث افزایش کارایی، حساسیت و بهبود سیگنال الکتروشیمیایی در اندازه‌گیری ترومبین میشوند. همچنین با استفاده از نانوذرات به کارگرفته شده کیفیت تثبیت آپتامر در سطح بستر بهبود یافته و باعث افزایش شدید حساسیت و پایداری آن شده است.»
در واقع با تثبیت آپتامر بر روی الکترود اصلاح شده با نانوذرات TiO2 و MWCNT و سپس برهمکنش بین آپتامر و مولکول هدف (ترومبین)، اتصال و پیوند بین آنالیت و آپتامر بر روی سطح الکترود برقرار شده که این باعث تغییر در پیکربندی آپتامر و تغییر در رفتار الکتروشیمیایی آن میشود.
این تحقیقات حاصل تلاش‌های دکتر اسماعیل حیدری بفروئی، دکتر مهدی هاتفی اردکانی – اعضای هیأت علمی دانشگاه ولیعصر رفسنجان- و مریم امینی- دکترای شیمی و دانش‌آموخته‌ی دانشگاه صنعتی اصفهان- است. نتایج این کار در مجله‌ی Biosensors and Bioelectronic با ضریب تأثیر ۷/۷۸ (جلد ۸۵، سال ۲۰۱۶، صفحات ۸۲۸ تا ۸۳۶) منتشر شده است.
