نظارت بر فرایندهای زیستی بدن با حسگرهای نوآورانه

محققان دانشگاه کالیفرنیا، لس‌آنجلس (UCLA) موفق به توسعه حسگری کوچک شده‌اند که می‌تواند فرایندهای زیستی بدن را به‌مراتب دقیق‌تر از روش‌های کنونی رصد کند.

به گزارش بازتاب امروز، این فناوری می‌تواند روش‌های جدیدی برای تشخیص و مدیریت بیماری‌ها، پیگیری پاسخ بیماران به درمان و سرعت بخشیدن به توسعه داروهای مؤثرتر فراهم کند. نکته جالب حسگر این است که چگونگی دنبال‌کردن فرایندهای بیوشیمیایی طبیعی، مانند: تبدیل و تعامل مولکول‌ها در بدن را تقلید می‌کند.

محققان دانشگاه UCLA این حسگرها را حسگرهای مبتنی بر واکنش‌های متابولیک چندگانه یا TMR نام‌گذاری کرده‌اند. این حسگرها مانند آزمایشگاه‌های کوچک شیمیایی عمل و متابولیت‌ها را بررسی می‌کنند. این حسگرها روی الکترودهای بسیار کوچک ساخته شده‌اند، که از نانولوله‌های کربنی تک‌جداره تشکیل شده‌اند. دانشمندان، آنزیم‌ها و مولکول‌های کمکی که در واکنش‌های شیمیایی نقش دارند (به نام کوفاکتورها) را روی این الکترودها قرار داده‌اند.

حسگرهای TMR چگونه کار می‌کنند؟

زمانی که یک متابولیت خاص (مولکولی که قرار است شناسایی شود) به حسگر نزدیک می‌شود، آنزیم‌ها یک واکنش شیمیایی را ایجاد می‌کنند. این واکنش به طور خاص برای متابولیت هدف طراحی شده است. گاهی اوقات، حسگر می‌تواند متابولیت را به صورت مستقیم از طریق این واکنش شناسایی کند. در موارد دیگر، اگر متابولیت به طور مستقیم قابل تشخیص نباشد، آنزیم‌ها ابتدا آن را به مولکول دیگری تبدیل می‌کنند که قابل تشخیص باشد. این تبدیل می‌تواند در چند مرحله، مانند مسیرهای طبیعی متابولیک در بدن انجام شود.

یک جزء کلیدی این واکنش‌ها، تبادل الکترون‌ها است. زمانی که آنزیم‌ها روی متابولیت عمل می‌کنند، حرکت الکترون‌ها ایجاد می‌شود. این حرکت الکترون‌ها یک جریان الکتریکی روی سطح نانولوله‌های کربنی ایجاد می‌کند. حسگر این جریان الکتریکی را اندازه‌گیری می‌نماید. مقدار جریان نشان می‌دهد که چه میزان از متابولیت وجود دارد؛ به‌ طوری‌ که جریان بالاتر به معنای وجود مقدار بیشتری از متابولیت است و جریان پایین‌تر به معنای مقدار کمتر می‌باشد.

کاربرد حسگرهای TMR برای نظارت بر فرایندهای زیستی بدن

این حسگرها از طریق یک مرحله تبدیل، قادر به شناسایی بیش از دو سوم متابولیت‌های تولیدشده در بدن انسان هستند. این فناوری می‌تواند تصویری دقیق از وضعیت بدن بیمار و پاسخ او به درمان ارائه دهد.

محققان اشاره می‌کنند که این فناوری می‌تواند به تشخیص زودهنگام اختلالات قلبی و شخصی‌سازی درمان‌ها برای مقابله با مشکلات متابولیکی فردی کمک کند. همچنین می‌تواند با رصد چگونگی تبدیل انرژی بدن ورزشکاران تحت فشار، به بهینه‌سازی عملکرد فیزیکی آنها کمک نماید. علاوه بر این، حسگرهای TMR می‌توانند نشان دهند که داروهای در حال توسعه چگونه بر مسیرهای متابولیکی تأثیر می‌گذارند و راه‌هایی برای بهینه‌سازی اثرات آنها مشخص کنند.

سام امامی‌نژاد، نویسنده ارشد مقاله‌ای که ماه گذشته در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شد، اشاره کرد که این فناوری می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا ارتباط پیچیده و ناشناخته بین روده و مغز را بهتر درک کنند.

وی توضیح داد: «یکی از چالش‌های اصلی در درک چگونگی تأثیرگذاری روده و مغز بر یکدیگر، ثبت تغییرات در طول زمان است. ابزاری که به جای تکیه بر اندازه‌گیری‌های تکی آزمایشگاهی، متابولیت‌ها را به‌ صورت مداوم رصد کند، می‌تواند این ارتباط دوطرفه را آشکار نماید. اکنون ما آماده‌ هستیم تا فرضیات مهمی را آزمایش کنیم که بدون داده‌های کلیدی باقی مانده بودند و بهتر بفهمیم که چگونه فعالیت روده بر سلامت کلی بدن تأثیر می‌گذارد.»