التقيت مع عنبال شرفتي باراد لأسألها عما يفعلونه هناك في الجامعة.
التقيت مع عنبال شرفتي باراد لأسألها عما يفعلونه هناك في الجامعة.
عنبال طالبة دكتوراه في قسم هندسة التكنولوجيا الحيوية في جامعة بن غوريون في النقب. تعمل في معمل الدكتور ليفي جابر لتقنية النانو الحيوية. وهي متزوجة وتعيش في بئر السبع مع زوجها، رجل التكنولوجيا الفائقة. تحب عنبال حقًا التدريس في الجامعة، وفي أوقات فراغها تلعب لعبة البريدج.
إنبال، فماذا تفعل هناك؟
يغطي البحث في المختبر مجموعة متنوعة من المجالات المتعلقة باستخدام المواد البيولوجية على مقياس النانومتر، ويتضمن استخدام تقنيات الفحص المجهري المتقدمة. أحد المجالات الرئيسية في المختبر هي دراسة أجهزة الاستشعار الحيوية، أي أجهزة الاستشعار البيولوجية. يتناول بحثي مصفوفات الأجسام المضادة (المصفوفة المناعية) المستخدمة لاكتشاف المواد والتشخيص الطبي المتنقل.
حسنًا، دعنا نرتب الأمر، ما هي أجهزة الاستشعار الحيوية؟
تستخدم أجهزة الاستشعار الحيوية لاختبار وجود مادة معينة في المحلول. ويمكن أن تكون المادة مثلاً سماً أو بكتيريا أو بعض البروتينات، ويمكن أن يكون المحلول مثلاً ماء أو دماً أو غير ذلك. ومن هنا يمكن استخدام أجهزة الاستشعار الحيوية لاختبار سمية الماء، وتشخيص المرض، واختبار مستوى السكر في الدم وأشياء أخرى.
إحدى الأدوات الفعالة لتحقيق جهاز الاستشعار البيولوجي هي الأجسام المضادة.
ما هي الأجسام المضادة، وما علاقتها بالتشخيص الطبي؟
والجسم المضاد هو جندي لجهاز المناعة لدينا، وهو مزود بيدين ورجل واحدة (انظر الشكل 1). "تعرف" يدا الجسم المضاد كيفية الإمساك بمادة معينة فقط، أي أنهما مهيأتان للارتباط كيميائيًا بهذه المادة بطريقة انتقائية مثل المفتاح الفريد الذي يفتح القفل. وبعد أن يرتبط الجسم المضاد بالمادة التي تكيف معها، فإن عادته تشير إلى بقية الجهاز المناعي بأنه قد تم اكتشاف مادة مشبوهة، ويجب اتخاذ هذا الإجراء وفقًا لذلك.
في مجال التشخيص الطبي، نستخدم قدرة الارتباط الانتقائية للجسم المضاد لأغراض التعريف ووضع العلامات. على سبيل المثال، للتحقق من وجود مادة معينة في المحلول، يمكنك استخدام الأجسام المضادة التي ترتبط بها علامات الفلورسنت، مثل المصابيح الصغيرة التي ينبعث منها الضوء، والتي يمكن اكتشافها بمساعدة المجهر المناسب. سوف ترتبط الأجسام المضادة حصريًا بالمادة المستهدفة، وبالتالي يمكننا استخدام المجهر للتحقق مما إذا كانت نفس المادة موجودة في المحلول، وربما حتى تقدير الكمية.
إحدى الطرق الأكثر شيوعًا وفعالية لاستخدام الأجسام المضادة للتشخيص هي بمساعدة أسطح خاصة تسمى المصفوفات الدقيقة، وهي مصفوفات دقيقة من نقاط الربط، وهي قيد الاستخدام بالفعل اليوم، على سبيل المثال في اختبارات الدم التي نقوم بها عند الطبيب. هناك عدة طرق لاستخدام المصفوفات والأجسام المضادة لغرض التشخيص الطبي (انظر الشكل 2)، ولكن القاسم المشترك بينها جميعًا هو أن الأجسام المضادة الموسومة سوف ترتبط حصريًا بالمادة المستهدفة. وفي نهاية العملية، يمكن اكتشاف علامات الفلورسنت (وبالتالي المادة المستهدفة أيضًا) بمساعدة المجهر المناسب.
حتى الآن يبدو كل شيء رائعًا، فأين المشكلة؟
أوه، أنا سعيد لأنك تسأل. ربما يتذكر أي شخص أجرى فحص الدم أن النتائج يجب أن تنتظر بضعة أيام على الأقل. أحد أسباب ذلك هو حجم البقعة على سطح المصفوفات. تحتوي تلك المصفوفات المستخدمة اليوم على نقاط يبلغ حجمها حوالي 150 ميكرومترًا (الميكرومتر = 10-6 أمتار، حيث يبلغ قطر الشعرة حوالي عدة عشرات من الميكرومترات). وهذا يعني أن عددًا صغيرًا فقط من النقاط يدخل مجال رؤية المجهر في لحظة معينة. أي أن مسح مصفوفة كاملة يستغرق وقتًا طويلاً، ويتم إجراؤه بواسطة آلات في مختبرات كبيرة.
الطموح هو إنتاج نسخة من طريقة التشخيص أسرع وأرخص ولا تحتاج إلى آلات كبيرة وبالتالي فهي محمولة أيضًا، بحيث يمكن استخدامها عن طريق تشغيل جهاز صغير في غرفة الطبيب.
فما هو الحل؟
أحد الاتجاهات الرئيسية التي يتم اختبارها هو تقليل حجم النقاط الموجودة على المصفوفة إلى قطر ميكرومتر أو أقل. بهذه الطريقة، يمكن رؤية آلاف النقاط في مجال رؤية المجهر، وليس هناك حاجة لمسح المصفوفة. كما سيسمح هذا التطوير بتصغير معدات الاختبار إلى حجم هاتف خلوي متوسط.
ميزة أخرى ناتجة عن التصغير هي التوفير في كمية الأجسام المضادة المطلوبة. وبما أن تكلفة الأجسام المضادة مرتفعة للغاية، فقد يؤدي ذلك أيضًا إلى انخفاض تكلفة الاختبار.
حتى الآن يبدو كل شيء رائعًا، فأين المشكلة؟
أوه، أنا سعيد لأنك تسأل. إن تقليل النقطة عبر مجموعة التشخيص له آثار جانبية غير مرغوب فيها. كلما كانت النقطة أصغر، كانت شدة الضوء المنبعث منها أضعف. في منطقة صغيرة، يتم التقاط عدد أقل من الأجسام المضادة وبالتالي يتم التقاط عدد أقل من مصابيح الفلورسنت.
نحن مهتمون بفهم القيود المفروضة على نظام التشخيص اعتمادًا على حجم النقاط. إلى أي مدى يمكن تقليل النقاط مع الحفاظ على القدرة على تمييزها تحت المجهر، وعلى ماذا تعتمد قيود النظام؟
من أين تبدأ؟
أحد القيود المعروفة ينبع من المجهر نفسه. الحد الأقصى لدقة جميع المجاهر الضوئية هو 200-400 نانومتر (النانومتر = 10-9 أمتار، ترتيب حجم الفيروس على سبيل المثال)، وبالتالي لا يمكن قياس أحجام أصغر. وهذا يعني أنه حتى لو تمكنا من إنتاج نقطة بحجم بضعة نانومترات تتألق بشكل ساطع للغاية، فسوف تظهر في المجهر بحجم بضع مئات من النانومترات.
هناك قيد مهم آخر وجدناه ينبع من كثافة مواقع الربط وشدة الإضاءة.
ما هي كثافة مواقع الربط؟
تخيل أنك تنظر إلى العشب من منظور عين الطير. ما تراه هو مجرد سطح أخضر. ولكن من نظرة فاحصة ستلاحظ أن أوراق العشب في الواقع متناثرة على سطح الأرض وليست متجاورة مع بعضها البعض. كما أن الجزيئات البيولوجية المرتبطة بسطح نقطة ما على المصفوفة التشخيصية متناثرة أيضًا بكثافة معينة (انظر الشكل 3 أ). وطالما كانت البقعة كبيرة، فإن الإضاءة تتناسب مع المساحة. عندما تكون النقطة من حجم متوسط المسافة بين مواقع الربط، تنخفض شدة الإضاءة بشكل حاد، ولم تعد متناسبة مع المنطقة (انظر الشكل 3ب). ولذلك، فإن استخدام النقاط الصغيرة يتطلب كثافة عالية من مواقع الربط.
لاختبار هذا الادعاء، قمنا ببناء سلسلة من المصفوفات بنقاط ذات أحجام مختلفة، وأظهرنا التأثير الحاسم في النقاط الصغيرة. الاستنتاج هو أن تقليل النقاط في المصفوفة، دون الأخذ في الاعتبار كثافة مواقع الربط، لن يؤدي إلى تحسن، بل سيؤدي في كثير من الأحيان إلى انخفاض جودة الكاشف بسبب التباين الكبير في الإضاءة شدة النقاط.
فهل من الممكن تقليل النقاط إلى حجم ميكرون واحد؟
خلال البحث أظهرنا أن ذلك ممكن. بالنسبة لبعض المصفوفات التي درسناها، تمكنا من اكتشاف المادة المستهدفة حتى مع وجود نقاط بحجم 300 نانومتر! المشكلة هي أننا لم نتمكن من الوصول إلى نطاق واسع بما فيه الكفاية من شدة الإضاءة حتى نتمكن أيضًا من قياس النتيجة، أي إرجاع إجابة ليست مجرد "نعم" أو "لا"، ولكنها أيضًا كمية، والتي هو كم'.
للوصول إلى هذه القدرة نحتاج إلى زيادة شدة الإضاءة لنقطة واحدة، لذلك نقوم هذه الأيام بدراسة عدة احتمالات لتحقيق الهدف. وكما ذكرت من قبل، فإن رؤيتنا تتمثل، من بين أمور أخرى، في تعزيز تطوير التشخيص الطبي المتنقل، ونتيجة لذلك يمكن إجراء بعض الاختبارات الطبية بسرعة وكفاءة في غرفة الطبيب.
-----------------
يسعدني أن ألتقي وأتحدث مع أي طالب بحث (ربما أنت؟) يرغب في المشاركة ويخبرني قليلاً عما يفعله (وكل ذلك مقابل محادثة ليست طويلة جدًا). يمكنك التواصل معي عبر نموذج الاتصال بنا.
حان الوقت لإخبار الجميع بما تفعله، ربما سيفهمون هذه المرة أيضًا
تم نشر المقال على مدونة أورين شايع.إلى حد ثابت"
