آزمایشگاهی به اندازه یک کف دست / تراشه‌ای که رد سرطان را در خون پیدا می‌کند

به گزارش سردبیر پرس، مهمت تونر استاد مهندسی زیست‌پزشکی دانشکده پزشکی هاروارد، در سال ۲۰۲۵ برگزیده جایزه مصطفی(ص) شد. او با توسعه سامانه‌های نانومیکروفلویدیک با کاربردهای بالینی مانند جداسازی سلول‌های نادر، تاثیر به‌سزایی در روند تشخیص سرطان داشته و از پژوهشگران برجسته این حوزه است. برای درک بهتر ابتکار تونر، باید ابتدا دریافت که چرا این دانشمند ترکیه­ای و گروه تحقیقاتی­اش برای مقابله با سرطان به سراغ خون انسان رفته­اند.
خون اطلاعات زیادی درباره آنچه که در بدنمان رخ می‌دهد در خود جای داده است. به همین علت آزمایش خون روش رایج و مهمی‌برای پایش وضعیت کلی بدن یا تشخیص بیماری است. اگر آزمایش خون داده باشید، دیده‌اید که مقدار قابل توجهی نمونه خون جمع آوری می‌شود و آماده سازی پاسخ آزمایش نیز زمان‌بر است. در پشت صحنه نیز مواد و معرف‌هایی برای آنالیز خون استفاده می‌شود و در نهایت تمام این موارد به زباله تبدیل می‌شوند. آیا راهی برای بهینه کردن تمام این فرایند وجود دارد؟ مثلا آزمایش کلسترول، تری‌گلیسرید، اوریک اسید و گلوکز را با حجم بسیار کم خون و در زمان کوتاه انجام داد، نه در آزمایشگاه بلکه در خانه! چیپ میکروفلویدیک به ما در رسیدن به این قابلیت‌ها کمک خواهد کرد.
چیپ‌های میکروفلویدیک با حجم‌های بسیار کوچکی از سیالات، عمدتاً در بازه نانولیتر تا میکرولیتر سروکار دارند. برای اینکه یک سیستم را میکروفلویدیکی در نظر بگیریم، حداقل یکی از ابعاد کانال باید در محدوده‌ی حدود ۱ تا ۱۰۰۰ میکرومتر باشد. میکروفلویدیک را می‌توان هم به‌عنوان یک علم (مطالعه‌ی رفتار مایعات در میکروکانال‌ها) و هم به‌عنوان یک فناوری (ساخت دستگاه‌های میکروفلویدیکی برای انجام تست‌های آزمایشگاهی روی تراشه) در نظر گرفت. سیالات در مقیاس میکرومتری رفتاری کاملاً متفاوت از آنچه در زندگی شاهد آن هستیم، از خود نشان می‌دهند؛ برای مثال، در این ابعاد، اثر چسبندگی داخلی سیال بر نیروی اینرسی غالب می‌شود و جریان‌ها به‌جای تلاطم، به‌صورت آرام (لامینار) حرکت می‌کنند. هم‌چنین، مخلوط کردن سیالات کاری دشوار می‌شود و تنها پدیده‌ای که می‌تواند در این ابعاد مایعات را با هم ترکیب کند، انتشار مولکولی است. در نتیجه، دو جریان مایع می‌توانند برای چندین دقیقه در کنار هم حرکت کنند بدون آن‌که کاملاً با هم مخلوط شوند. این امکان ایجاد محیط‌های چندگانه در یک کانال را فراهم می‌کند. به این فکر کنید که با این فناوری، یک صفحه کوچک می‌تواند جایگزین آزمایشگاه کاملی شود.
چیپ‌های میکروفلویدیک صفحات کوچکی هستند که درون آن‌ها شبکه‌ای از کانال‌های بسیار ریز قرار دارد. این کانال‌ها معمولاً روی موادی مانند شیشه، سیلیکون یا پلیمر قالب‌گیری شده‌اند. این میکروکانال‌ها به هم متصل شده‌اند تا برای مواد داخل خود (مایعات و گازها) ویژگی‌هایی مانند مخلوط کردن، پمپاژ، مرتب‌سازی یا کنترل محیط بیوشیمیایی را فراهم کنند. این شبکه‌ی میکروکانال‌ها که درون تراشه به دام افتاده اند، از طریق ورودی‌ها و خروجی‌هایی که در تراشه تعبیه شده‌اند، به بیرون متصل می‌شود و پلی بین جهان ماکرو و میکرو ایجاد می‌کنند. مایعات و گازها از طریق همین ورودی‌ها به چیپ وارد، بررسی و خارج می‌شوند؛ مانند دستگاه x-ray در ورودی فرودگاه که محلی برای ورود نمونه ها یا سیالات، سپس بررسی و خروج آن ها را فراهم می‌کند. البته در میکروفلویدیک جداسازی بر اساس برهم‌کنش‌های سطحی و ویژگی‌های فیزیکی است نه تصویربرداری.
امروزه این موضوع شگفت انگیز و کاربردهای آن در پزشکی و زیست شناسی توسط محققان پیگیری می‌شود. تشخیص سرطان یکی از این کاربردهاست. سرطان نامی‌ است که حداقل هر کدام از ما یک بار آن را شنیده‌ایم و حتی ممکن است بیمار یا بیمارانی مبتلا به سرطان نیز بشناسیم. این بیماری وضعیتی است که از تقسیم کنترل نشده سلول‌ها ایجاد می‌شود و اگر سلول‌های سرطانی از توده اصلی خود جدا شوند و به جریان خون یا سیستم لنفاوی وارد شوند، متاستاز رخ می‌دهد. این در حالی است که درمان اکثر سرطان‌های متاستاتیک ممکن نیست. برای درک اهمیت و بررسی فرآیندهای عامل متاستاز و راه حل‌های درمانی آن، بهتر است اشاره کنیم که متاستاز عامل اصلی مرگ‌ومیر در بیماران سرطانی است و بخش عمده‌ای (بیش از ۹۰٪ در برخی آمارها) از مرگ‌های ناشی از سرطان به آن نسبت داده می‌شود. با دانستن این مقدمه، اگر بتوانیم با استفاده از تراشه‌های میکروفلویدیک، اثر سرطان در خون را شناسایی کنیم، می‌توانیم استراتژی‌های درمانی دقیق تر و مناسب تری را برای بیماران پیاده کنیم. 

پروفسور مهمت تونر

مجرمان فراری در خون
CTC‌ها سلول‌های مشتق از تومور هستند که در خون بیماران سرطانی یافت می‌شوند و احتمالاً منشأ بیماری متاستاتیک غیرقابل درمان هستند. اثر سرطان در خون نیز با کمک سلول‌های توموری در گردش یا CTCs قابل ردیابی است.  همچنین تمامی ‌تومورهای متاستاتیک ریشه در  CTCها دارند، زیرا سلول‌های سرطانی برای رسیدن به سایر نقاط بدن باید ابتدا وارد جریان خون شوند. CTCها همچنین می‌توانند به تشخیص بهتر، بررسی پاسخ به درمان و حتی توسعه روش‌های درمانی جدید کمک کنند به همین دلیل ابزار مهمی‌ در پژوهش‌های سرطان محسوب می‌شوند. آن‌ها به‌عنوان بیومارکرهای کلیدی در تومورهای جامد شناخته شده‌اند و حضور آن‌ها در خون می‌تواند اطلاعات ارزشمندی درباره پیشرفت سرطان و پاسخ به درمان ارائه دهد و در پیش‌بینی بازگشت بیماری، متاستاز و مقاومت به درمان نیز موثرند.
این سلول‌های متاستازی مثل مجرمانی هستند که می‌خواهند از طریق خون بین نقاط مختلف بدن جابه‌جا شوند؛ گویی با ورود به یک فرودگاه، قصد فرار از منطقه را دارند. حال اگر بازرسان نتوانند سلول متاستازی را تشخیص بدهند، مجرم فرار می‌کند و با حضور خود، نقطه دیگری را هم آلوده می‌کند؛ اما اگر بتوانیم او را دستگیر کنیم به اطلاعات بسیار زیادی دست پیدا می‌کنیم که در پیشگیری از جرم‌های دیگر هم موثرند. آیا می‌توانیم دستگاهی با کاربرد X-ray موجود در فرودگاه‌ها بسازیم که با انجام بازرسی، سلول‌های متاستازی را بیابد؟
کمیاب اما تاثیرگذار
جداسازی CTCها چالش‌برانگیز است زیرا بسیار نادر هستند، به طوری که بسته به نوع و مرحله سرطان و روش جداسازی ممکن است تنها حدود یک CTC در میان ده میلیون گلبول سفید در هر میلی‌لیتر خون یافت شود. روش‌های موجود برای جداسازی CTCها هم بسته به پلتفرم و مارکری که به‌کار می‌برند، بازده و خلوص پایین و حساسیت کمی ‌دارند. اگر روش‌های پیشین ایراداتی دارند پس باید در ساختار بازرسی‌مان تجدید نظر کنیم. یکی از این محققان برجسته در حوزه تراشه‌های میکروفلویدیک، مهمت تونر است؛ دانشمندی که از این چیپ‌ها برای به دام انداختن و بررسی سلول‌های متاستاز سرطانی استفاده می‌کند. ایده‌پردازی تونر و همکارانش با کمک زیست‌شناسی و فناوری چیپ‌های میکروفلویدیک منجر به طراحی نوعی چیپ میکروفلویدیک به نام CTC-chip شده است. تعداد CTCهای جداشده توسط این چیپ در مطالعات مختلف از چند سلول تا صدها سلول در هر میلی‌لیتر گزارش شده و خلوص آن نسبت به فناوری‌های پیشین بهبود قابل توجهی داشته است.
 در این روش، تونر برای بازرسی از یک ویژگی متفاوت سلول‌های سرطانی نسبت به سلول‌های خونی استفاده کرده است. این ویژگی، بیان بیش از حد ژن EpCAM در کارسینوم‌های ریه، روده بزرگ، سینه، پروستات، سر و گردن و کبد بوده که در سلول‌های خونی وجود ندارد و بنابراین خاصیت جذب CTC را فراهم می‌کند. کارسینوم شایع‌ترین نوع سرطان است و بخش عمده سرطان در بزرگسالان را به خود اختصاص می‌دهد. این نوع سرطان در بافت اپیتلیال شکل می‌گیرد، یعنی همان بافتی که اندام‌ها، گذرگاه‌های داخلی بدن و پوست را پوشش می‌دهد.
قفل و کلید مولکولی
ژن EpCAM دستورالعمل‌هایی برای ساخت پروتئینی به نام مولکول چسبندگی سلولی اپیتلیال را در بر دارد. این پروتئین در سلول‌های اپیتلیال یافت می‌شود. پروتئین EpCAM در غشای اطراف سلول‌های اپیتلیال قرار دارد و به چسبیدن سلول‌ها به یکدیگر (چسبندگی سلولی) کمک می‌کند. EpCAM  به طور گسترده و مکرر در بسیاری از کارسینوم‌ها بیان می‌شود، اما شدت و فراوانی آن ناهمگون و وابسته به نوع و مرحله بیماری است. با داشتن ویژگی‌های این‌چنینی، این پروتئین پتانسیل بالایی به عنوان نشانگر برای پیش‌آگهی و درمان در سرطان‌ها و طی پیشرفت سرطان و تشکیل متاستاز دارد. درواقع، EpCAM  آنتی ژن سطحی این سلول‌ها نامیده می‌شود؛ اگر بتوانیم مولکولی مکمل آن پیدا کنیم (به نام آنتی بادی) که از نظر هندسه و ویژگی‌های شیمیایی با آنتی ژن مکمل باشد، برهمکنش اختصاصی (برهمکنش آنتی ژن آنتی بادی) میان آن‌ها رخ می‌دهد و شناسایی آنتی ژنها میسر می‌شود. معمولا مثال قفل و کلید برای واکنش آنتی ژن و آنتی بادی به کار می‌رود که نشان می‌دهد این واکنش‌ بسیار اختصاصی است؛ درست مانند قفل و کلید، هر کلید فقط برای یک قفل خاص به کار می‌رود.
این تئوری زیستی توسط تونر و همکارانش به شیوه نوآورانه‌ای مورد استفاده قرار گرفت. استفاده از آنتی بادی ضد EpCAM در چیپ تولید شده توانست با موفقیت CTCها را در خون بیماران مبتلا به سرطان متاستاتیک ریه، پروستات، پانکراس، سینه و روده بزرگ در بخش قابل توجهی از نمونه‌های بیماران شناسایی کند. این چیپ در پایش پاسخ به درمان سرطان نیز اهمیت دارد. تغییرات زمانی در تعداد CTCها به طور منطقی با سیر بالینی بیماری در بیماران تحت درمان همبستگی داشت که نشان‌دهنده پتانسیل CTC-chip برای این هدف است.
امروزه با پیشرفت فناوری‌های مربوط به CTC، امکان بررسی ویژگی‌های فنوتیپی سرطان و احتمال پاسخ‌دهی آن‌ها به درمان وجود دارد. از آنجا که CTCs دارای ژنوم توموری هستند، جداسازی سلول‌های زنده CTC در حین درمان به بررسی پروفایل جهشی مقاومت داروی (مجموعه‌ای از جهش‌های ژنتیکی در سلول‌های سرطانی است که باعث می‌شود این سلول‌ها در برابر داروهای ضد سرطان مقاوم شوند) کمک می‌کند. این امر به دانشمندان امکان می‌دهد تا راه‌های جدیدی برای مقابله با مقاومت سرطان در برابر درمان پیدا کنند. شناسایی، توصیف و تحلیل مولکولی CTCها بیوپسی مایع (روشی غیرتهاجمی ‌است که امکان بررسی سرطان از طریق خون را فراهم می‌کند) را به سطح جدیدی ارتقا می‌دهد، تا بتواند نیازهای پزشکی قرن بیست‌ویکم را برآورده کند. این موارد تنها جزئی از اهمیت جداسازی CTCهای زنده از خون است. پژوهشهای تونر و همکارانش دستاوردهای برجسته‌ای در این زمینه ارائه کرده اند. ممکن است برای پیشرفت علم گاهی فقط نیاز به نگاه متفاوتی داشته باشیم! شاید در دل همین ابزارهای روزمره، جرقه‌ای از نوآوری‌های پزشکی و زیست شناسی نهفته باشد که مسیر آینده را روشن‌تر کند.
۲۲۷۲۲۷