رقاقة حيوية

في علم الأحياء الجزيئي ، تُعدّ الرقائق الحيوية ركائز مُهندسة ("مختبرات مصغّرة") قادرة على استضافة عدد كبير من التفاعلات الكيميائية الحيوية المتزامنة . يتمثل أحد أهداف تقنية الرقائق الحيوية في فحص أعداد كبيرة من المُحلّلات البيولوجية بكفاءة ، مع تطبيقات محتملة تتراوح من تشخيص الأمراض إلى الكشف عن عوامل الإرهاب البيولوجي . على سبيل المثال، تخضع الرقائق الحيوية الرقمية الميكروفلويدية للدراسة لاستخدامها في المجالات الطبية الحيوية. في الرقاقة الحيوية الرقمية الميكروفلويدية ، يمكن تهيئة مجموعة من الخلايا (المتجاورة) في مصفوفة الميكروفلويد للعمل كوحدات تخزين، وعمليات وظيفية، بالإضافة إلى نقل قطرات السوائل ديناميكيًا. ^{[ 1 ]}

بدأ التطوير بأعمال مبكرة على تقنية الاستشعار الأساسية. كان قطب الأس الهيدروجيني الزجاجي ، الذي اخترعه هيوز عام 1922، أحد أوائل أجهزة الاستشعار المحمولة القائمة على الكيمياء . ^{[ 2 ]} استُخدم المفهوم الأساسي لاستخدام مواقع التبادل لإنشاء أغشية نفاذية انتقائية لتطوير أجهزة استشعار أيونية أخرى في السنوات اللاحقة. على سبيل المثال، تم إنتاج مستشعر أيونات البوتاسيوم (K ^{+) عن طريق دمج} الفالينوميسين في غشاء رقيق. ^{[ 3 ]}

في عام 1953، أعلن واتسون وكريك اكتشافهما لبنية الحلزون المزدوج لجزيئات الحمض النووي (DNA) المعروفة اليوم ، مما مهد الطريق لأبحاث علم الوراثة التي لا تزال مستمرة حتى يومنا هذا. ^{[ 4 ]} وقد مكّن تطوير تقنيات التسلسل في عام 1977 على يد جيلبرت ^{[ 5 ]} وسانجر ^{[ 6 ]} (بشكل منفصل) الباحثين من قراءة الشفرات الوراثية التي توفر تعليمات تخليق البروتين بشكل مباشر . وأظهر هذا البحث كيف يمكن استخدام تهجين خيوط قليلة النوكليوتيدات المفردة المتكاملة كأساس لاستشعار الحمض النووي. كما ساهم تطوران إضافيان في تطوير التقنية المستخدمة في التحليلات الحديثة القائمة على الحمض النووي. أولًا، في عام 1983، اخترع كاري موليس تقنية تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)، ^{[ 4 ]} وهي طريقة لتضخيم تركيزات الحمض النووي. وقد مكّن هذا الاكتشاف من الكشف عن كميات ضئيلة للغاية من الحمض النووي في العينات. ثانيًا، في عام 1986 ابتكر هود وزملاؤه طريقة لوضع علامات على جزيئات الحمض النووي باستخدام علامات فلورية بدلاً من العلامات الإشعاعية، ^{[ 7 ]} مما يتيح مراقبة تجارب التهجين بصريًا.

يوضح الشكل 1 مكونات منصة رقاقة حيوية نموذجية. يُعدّ مُكوّن الاستشعار الفعلي (أو "الرقاقة") جزءًا واحدًا فقط من نظام تحليل متكامل. يجب إجراء عملية تحويل البيانات لترجمة حدث الاستشعار الفعلي (ارتباط الحمض النووي، الأكسدة/الاختزال ، إلخ ) إلى صيغة يفهمها الحاسوب ( الجهد ، شدة الضوء، الكتلة، إلخ )، مما يُتيح إجراء تحليلات ومعالجة إضافية لإنتاج مُخرجات نهائية قابلة للقراءة البشرية . تتطلب التقنيات المتعددة اللازمة لصنع رقاقة حيوية ناجحة - من كيمياء الاستشعار، إلى المصفوفات الدقيقة ، إلى معالجة الإشارات - نهجًا متعدد التخصصات، مما يجعل دخول هذا المجال صعبًا. كانت شركة Affymetrix من أوائل الشركات التي طرحت رقاقات حيوية تجارية . تحتوي منتجاتها "GeneChip" على آلاف من مستشعرات الحمض النووي الفردية لاستخدامها في استشعار العيوب، أو تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNPs)، في جينات مثل p53 (جين كابح للأورام) و BRCA1 و BRCA2 (المرتبطين بسرطان الثدي). ^{[ 8 ]} يتم إنتاج الرقائق باستخدام تقنيات الطباعة الحجرية الدقيقة المستخدمة تقليديًا لتصنيع الدوائر المتكاملة (انظر أدناه).

تُعدّ المصفوفة الدقيقة - وهي شبكة ثنائية الأبعاد كثيفة من أجهزة الاستشعار الحيوية - المكون الأساسي لمنصة الرقاقة الحيوية. عادةً ما تُرسّب أجهزة الاستشعار على ركيزة مسطحة، قد تكون خاملة ( مثل السيليكون أو الزجاج) أو نشطة، وتتكون الأخيرة من إلكترونيات متكاملة أو أجهزة ميكانيكية دقيقة تُنفّذ أو تُساعد في نقل الإشارة. تُستخدم كيمياء السطح لربط جزيئات المستشعر تساهميًا بوسط الركيزة. يُعدّ تصنيع المصفوفات الدقيقة عملية معقدة، ويُمثّل عقبة اقتصادية وتقنية رئيسية قد تُحدّد في نهاية المطاف نجاح منصات الرقاقات الحيوية المستقبلية. يتمثل التحدي التصنيعي الرئيسي في عملية وضع كل مستشعر في موضع مُحدّد (عادةً على شبكة ديكارتية ) على الركيزة. توجد وسائل مُختلفة لتحقيق هذا الوضع، ولكن عادةً ما تُستخدم أنظمة الماصات الدقيقة الروبوتية ^{[ 9 ]} أو الطباعة الدقيقة ^{[ 10 ]} لوضع نقاط صغيرة من مادة المستشعر على سطح الرقاقة. ولأن كل مستشعر فريد من نوعه، لا يُمكن وضع سوى عدد قليل من النقاط في المرة الواحدة. تؤدي طبيعة هذه العملية ذات الإنتاجية المنخفضة إلى ارتفاع تكاليف التصنيع.

طوّر فودور وزملاؤه عملية تصنيع فريدة (استخدمتها لاحقًا شركة أفيمتريكس ) تعتمد على سلسلة من خطوات الطباعة الحجرية الدقيقة لتخليق مئات الآلاف من مجسات الحمض النووي الفريدة أحادية السلسلة على ركيزة، نيوكليوتيدًا واحدًا في كل مرة. ^{[ 11 ] [ 12 ]} تتطلب كل قاعدة خطوة طباعة حجرية واحدة، أي ما مجموعه أربع خطوات لكل مستوى نيوكليوتيدي. على الرغم من فعالية هذه التقنية في إنتاج العديد من المجسات في وقت واحد، إلا أنها حاليًا لا تُجدي نفعًا إلا في إنتاج سلاسل الحمض النووي القصيرة (15-25 نيوكليوتيدًا ). ​​تحدّ عوامل الموثوقية والتكلفة من عدد خطوات الطباعة الحجرية الضوئية الممكنة. علاوة على ذلك، لا تُعدّ تقنيات التخليق التوافقي الموجّه بالضوء ممكنة حاليًا للبروتينات أو جزيئات الاستشعار الأخرى.

كما ذُكر سابقًا، تتكون معظم المصفوفات الدقيقة من شبكة ديكارتية من المجسات. يُستخدم هذا النهج بشكل أساسي لربط إحداثيات كل مجس بوظيفته. تستخدم المجسات في هذه المصفوفات عادةً تقنية إشارة عامة ( مثل التألق)، مما يجعل الإحداثيات سمة تعريفها الوحيدة. يجب تصنيع هذه المصفوفات باستخدام عملية تسلسلية ( أي تتطلب خطوات متعددة ومتتابعة) لضمان وضع كل مجس في الموضع الصحيح.

يُعدّ التصنيع "العشوائي"، الذي تُوضع فيه المستشعرات في مواقع عشوائية على الشريحة، بديلاً عن الطريقة التسلسلية. فهو يُغني عن عملية تحديد المواقع المُرهقة والمُكلفة، مما يُتيح استخدام تقنيات التجميع الذاتي المتوازية. في هذا النهج، يُمكن إنتاج دفعات كبيرة من المستشعرات المُتطابقة؛ ثم تُدمج المستشعرات من كل دفعة وتُجمّع في مصفوفة. ويجب استخدام نظام ترميز غير قائم على الإحداثيات لتحديد كل مستشعر. وكما يُبيّن الشكل، فقد تمّ عرض هذا التصميم لأول مرة (ثمّ تسويقه لاحقًا من قِبل شركة Illumina) باستخدام خرزات مُعدّلة وظيفيًا وُضعت عشوائيًا في تجاويف كابل ألياف بصرية محفور . ^{[ 13 ] [ 14 ]} وقد تمّ ترميز كل خرزة بشكل فريد ببصمة فلورية. ومع ذلك، فإنّ نظام الترميز هذا محدود في عدد تركيبات الأصباغ الفريدة التي يُمكن استخدامها والتمييز بينها بنجاح.

لا تقتصر المصفوفات الدقيقة على تحليل الحمض النووي فقط ؛ إذ يمكن أيضًا إنتاج مصفوفات دقيقة للبروتينات ، ومصفوفات دقيقة للأجسام المضادة ، ومصفوفات دقيقة للمركبات الكيميائية باستخدام الرقائق الحيوية. أطلقت شركة راندوكس لابوراتوريز المحدودة جهاز "إيفيدنس"، أول محلل بتقنية مصفوفات الرقائق الحيوية للبروتينات، في عام 2003. في هذه التقنية، تحل الرقاقة الحيوية محل صفيحة أو خلية اختبار ELISA كمنصة للتفاعل. تُستخدم الرقاقة الحيوية لتحليل مجموعة من الاختبارات ذات الصلة في عينة واحدة في آنٍ واحد، مما يُنتج ملفًا تعريفيًا للمريض . يُمكن استخدام هذا الملف في فحص الأمراض، وتشخيصها ، ومراقبة تطورها، أو متابعة العلاج. يُتيح إجراء تحليلات متعددة في وقت واحد، والمعروف باسم "التحليل المتعدد"، تقليلًا كبيرًا في وقت المعالجة وكمية عينة المريض المطلوبة. تُعد تقنية مصفوفات الرقائق الحيوية تطبيقًا مبتكرًا لمنهجية مألوفة، باستخدام المقايسات المناعية الساندويتشية، والتنافسية، ومقايسات التقاط الأجسام المضادة . ويكمن الاختلاف عن المقايسات المناعية التقليدية في أن روابط الالتقاط تُربط تساهميًا بسطح الرقاقة الحيوية في مصفوفة مُرتبة بدلًا من وجودها في محلول.

في فحوصات الساندويتش، يُستخدم جسم مضاد مُوسَم بإنزيم؛ أما في الفحوصات التنافسية، فيُستخدم مستضد مُوسَم بإنزيم. عند ارتباط الجسم المضاد بالمستضد، ينتج عن تفاعل التلألؤ الكيميائي ضوء. ويتم الكشف عن الضوء بواسطة كاميرا CCD. تُعد كاميرا CCD مستشعرًا عالي الحساسية والدقة، قادرًا على الكشف بدقة عن مستويات الضوء المنخفضة جدًا وقياسها كميًا. تُحدد مناطق الاختبار باستخدام نمط شبكي، ثم تُحلل إشارات التلألؤ الكيميائي بواسطة برنامج تصوير لتحديد كمية كل مُحلل على حدة بسرعة وتزامنًا.

تُستخدم الرقائق الحيوية أيضًا في مجال القياسات الفيزيائية الدقيقة، على سبيل المثال في تطبيقات الجلد على رقاقة ^{[ 15 ] .}

للحصول على تفاصيل حول تقنيات المصفوفات الأخرى، انظر مصفوفة الأجسام المضادة الدقيقة .

توجد عدة أنواع من رقائق التكنولوجيا الحيوية، كل منها مصمم لتطبيقات محددة.

تتمتع رقائق التكنولوجيا الحيوية بمجموعة واسعة من التطبيقات في العديد من المجالات.