پژوهشگران از طراحی یک حسگر نوری فوق‌حساس خبر داده‌اند که می‌تواند مقادیر بسیار ناچیز نشانگرهای زیستی سرطان را تنها در یک قطره خون شناسایی کند؛ آن هم پیش از آنکه تومور در روش‌های تصویربرداری قابل مشاهده باشد. این فناوری نوآورانه که نتایج آن در مجله Optica منتشر شده، ترکیبی از فناوری CRISPR، نانوساختارهای DNA و نقاط کوانتومی است که نویدبخش تشخیص زودهنگام‌تر و ساده‌تر سرطان است.

در مراحل ابتدایی سرطان، نشانگرهای زیستی مانند پروتئین‌ها، قطعات DNA یا microRNAها در غلظت‌های بسیار پایین در خون وجود دارند؛ به‌قدری کم که ابزارهای رایج به‌سختی قادر به شناسایی آن‌ها هستند. تیمی به سرپرستی «هان ژانگ» از دانشگاه شنژن چین، حسگری طراحی کرده که می‌تواند این مولکول‌ها را در سطوح پایین‌ تشخیص دهد؛ یعنی حتی زمانی که تنها چند مولکول در نمونه وجود دارد. این فناوری با استفاده از پدیده‌ای نوری به نام «تولید هارمونیک دوم» (Second harmonic generation; SHG) کار می‌کند؛ فرآیندی غیرخطی که در آن نور تابشی به نوری با نصف طول موج تبدیل می‌شود. از آنجا که SHG نویز پس‌زمینه بسیار کمی تولید می‌کند، امکان شناسایی سیگنال‌های بسیار ضعیف را فراهم می‌سازد.

ترکیب هوشمندانه DNA، نقاط کوانتومی و CRISPR

در این سامانه، پژوهشگران از ساختارهای هرمی‌شکل DNA موسوم به «تتراهدرون‌های DNA» به‌عنوان داربست‌های نانومقیاس استفاده کرده‌اند تا نقاط کوانتومی را با دقت نانومتری روی سطح نیمه‌رسانای دوبعدی دی‌سولفید مولیبدن (MoS₂) قرار دهند. این چیدمان باعث تقویت میدان نوری موضعی و افزایش سیگنال SHG می‌شود.

در مرحله بعد، فناوری ویرایش ژن CRISPR-Cas12a برای شناسایی دقیق نشانگر زیستی هدف به سیستم افزوده شده است. زمانی که پروتئین Cas12a مولکول هدف را تشخیص می‌دهد، رشته‌های DNA نگه‌دارنده نقاط کوانتومی را برش می‌دهد. این اتفاق منجر به کاهش قابل اندازه‌گیری سیگنال نوری می‌شود؛ نشانه‌ای واضح از حضور نشانگر سرطان. مهم‌تر اینکه این روش نیازی به «تقویت شیمیایی» سیگنال ندارد؛ فرآیندی که در آزمایش‌های رایج زمان‌بر، پرهزینه و پیچیده است. در این فناوری، تشخیص به‌صورت مستقیم و بدون مراحل اضافی انجام می‌شود.

موفقیت در شناسایی سرطان ریه در سرم بیماران

برای ارزیابی عملکرد واقعی، محققان روی miR-21 تمرکز کردند؛ یک microRNA مرتبط با سرطان ریه. پس از تأیید عملکرد حسگر در محیط آزمایشگاهی کنترل‌شده، آزمایش‌ها روی سرم خون بیماران مبتلا به سرطان ریه انجام شد.

نتیجه چشمگیر بود: حسگر توانست miR-21 را با دقت بالا و بدون واکنش به RNAهای مشابه شناسایی کند. این ویژگی «اختصاصیت بالا» یکی از چالش‌های اصلی در آزمایش‌های مولکولی را برطرف می‌کند.

گامی به‌سوی آزمایش خون قابل‌حمل

پژوهشگران اکنون در تلاش‌اند سامانه نوری را کوچک‌سازی کنند تا نسخه‌ای قابل‌حمل از آن تولید شود؛ دستگاهی که بتوان از آن در کنار تخت بیمار، کلینیک‌های سرپایی یا مناطق کم‌برخوردار استفاده کرد.

در صورت تحقق این هدف، پزشکان می‌توانند به‌جای انتظار چندماهه برای نتایج تصویربرداری، سطح نشانگرهای زیستی را به‌صورت روزانه یا هفتگی پایش کنند و اثربخشی درمان را سریع‌تر ارزیابی نمایند.

از آنجا که این پلتفرم «برنامه‌پذیر» است، می‌توان آن را برای شناسایی ویروس‌ها، باکتری‌ها، سموم محیطی یا حتی نشانگرهای بیماری‌هایی مانند آلزایمر نیز تطبیق داد.

تشخیص زودهنگام، یکی از مهم‌ترین عوامل افزایش بقای بیماران سرطانی است. اگر این فناوری مسیر توسعه بالینی را با موفقیت طی کند، می‌تواند انقلابی در غربالگری سرطان و پزشکی شخصی‌سازی‌شده ایجاد کند؛ انقلابی که از یک قطره خون آغاز می‌شود.

برای مطالعه بیشتر به مقاله زیر مراجعه نمایید.

https://doi.org/10.1364/OPTICA.577416