المصفوفة الدقيقة

الموسوعة الحرة
مخطط فين يوضح ويقارن بعض جوانب مجالات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة الحيوية ، والمختبر على رقاقة ، والأنظمة التحليلية الدقيقة

المصفوفة الدقيقة عبارة عن مختبر متعدد القنوات على شريحة . [ 1 ] تهدف إلى الكشف المتزامن عن تعبير آلاف التفاعلات البيولوجية. وهي عبارة عن مصفوفة ثنائية الأبعاد على ركيزة صلبة - عادةً ما تكون شريحة زجاجية أو خلية رقيقة من السيليكون - تقوم بتحليل (اختبار) كميات كبيرة من المواد البيولوجية باستخدام أساليب فحص عالية الإنتاجية ، مصغرة، متعددة القنوات، ومعالجة وكشف متوازية. تم تقديم مفهوم ومنهجية المصفوفات الدقيقة لأول مرة وتوضيحها في مصفوفات الأجسام المضادة (المعروفة أيضًا باسم مصفوفة الأجسام المضادة ) بواسطة تسيه وين تشانغ في عام 1983 في منشور علمي [ 2 ] وسلسلة من براءات الاختراع. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] بدأ قطاع " رقائق الجينات " بالنمو بشكل ملحوظ بعد مقال نُشر في مجلة ساينس عام 1995 من قِبل مختبري رون ديفيس وبات براون في جامعة ستانفورد. [ 6 ] مع إنشاء شركات مثل Affymetrix و Agilent و Applied Microarrays و Arrayjet و Illumina وغيرها، أصبحت تقنية المصفوفات الدقيقة للحمض النووي الأكثر تطوراً والأكثر استخداماً على نطاق واسع، في حين أن استخدام المصفوفات الدقيقة للبروتين والببتيد والكربوهيدرات [ 7 ] يتوسع.

تشمل أنواع المصفوفات الدقيقة ما يلي:

يعمل الباحثون في مجال تقنية CMOS الحيوية على تطوير أنواع جديدة من المصفوفات الدقيقة. فبعد تغذيتها بجزيئات نانوية مغناطيسية ، يمكن تحريك الخلايا بشكل مستقل ومتزامن على مصفوفة دقيقة من الملفات المغناطيسية. ويجري حاليًا تطوير مصفوفة دقيقة من ملفات الرنين المغناطيسي النووي . [ 8 ]

تصنيع وتشغيل المصفوفات الدقيقة

تعتمد منصة المصفوفات الدقيقة على عدد كبير من التقنيات، بما في ذلك الركائز المادية، [ 9 ] وتقنية وضع المصفوفات الجزيئية الحيوية، [ 10 ] والتغليف الميكروفلويدي للمصفوفات. [ 11 ] يمكن تصنيف المصفوفات الدقيقة حسب طريقة عزل كل عنصر من عناصرها، إما عن طريق وضع العناصر (إنشاء حفر صغيرة)، أو التخليق على الشريحة (تخليق مجسات الحمض النووي المستهدفة الملتصقة مباشرة بالمصفوفة)، أو باستخدام الخرز (لصق العينات بخرزات مشفرة موزعة عشوائيًا على المصفوفة). [ 12 ]

عملية الإنتاج

يعود تاريخ أول منشور حول عملية إنتاج المصفوفات الدقيقة إلى عام 1995، عندما طُبعت 48 نسخة من الحمض النووي التكميلي (cDNA) لنبات ما على شريحة زجاجية تُستخدم عادةً في المجهر الضوئي. أما المصفوفات الدقيقة الحديثة، فتتضمن الآن آلاف المجسات وحوامل مختلفة ذات طبقات طلاء. يتطلب تصنيع المصفوفة الدقيقة معلومات بيولوجية وفيزيائية، بما في ذلك مكتبات العينات والطابعات وركائز الشرائح. وتعتمد جميع الإجراءات والحلول على تقنية التصنيع المستخدمة. ويتمثل المبدأ الأساسي للمصفوفة الدقيقة في طباعة بقع صغيرة من محاليل تحتوي على أنواع مختلفة من المجسات على شريحة عدة آلاف من المرات. [ 13 ]

تتميز الطابعات الحديثة بفلتر HEPA وبيئات ذات رطوبة ودرجة حرارة مضبوطة، عادةً ما تكون حوالي 25 درجة مئوية ورطوبة 50%. في السابق، كانت تُطبع المصفوفات الدقيقة مباشرةً على السطح باستخدام دبابيس الطابعة التي تُرسب العينات بنمط يُحدده المستخدم على الشريحة. أما الطرق الحديثة فهي أسرع، وتُقلل من التلوث المتبادل، وتُنتج مورفولوجيا بقع أفضل. يجب أن يكون السطح الذي تُطبع عليه المجسات نظيفًا وخاليًا من الغبار وكارهًا للماء، وذلك للحصول على مصفوفات دقيقة عالية الكثافة. تشمل طلاءات الشرائح بولي-إل-لايسين، وأمينو سيلان، وإيبوكسي، وغيرها، بما في ذلك محاليل الشركات المصنعة، ويتم اختيارها بناءً على نوع العينة المستخدمة. تهدف الجهود المستمرة لتطوير تقنية المصفوفات الدقيقة إلى إنشاء مصفوفات موحدة وكثيفة مع تقليل حجم المحلول اللازم وتقليل التلوث أو التلف إلى أدنى حد. [ 13 ] [ 14 ]

تتطلب عملية التصنيع مكتبة عينات تحتوي على جميع المعلومات ذات الصلة. في المراحل الأولى لتقنية المصفوفات الدقيقة، كانت العينة الوحيدة المستخدمة هي الحمض النووي (DNA )، المُستخلص من مكتبات الاستنساخ الشائعة، والمُكتسب من خلال تضخيم الحمض النووي باستخدام نواقل بكتيرية. أما الأساليب الحديثة، فلم تعد تقتصر على الحمض النووي كعينة، بل تشمل أيضًا البروتينات، والأجسام المضادة، والمستضدات، والسكريات، ومستخلصات الخلايا، وجزيئات صغيرة أخرى. جميع العينات المستخدمة مُصنّعة مسبقًا، ويتم تحديثها بانتظام، كما أنها أسهل في الصيانة. تشمل تقنيات تصنيع المصفوفات الطباعة التلامسية، والطباعة الحجرية، والطباعة غير التلامسية، والطباعة الخالية من الخلايا. [ 14 ]

الطباعة بالتماس

تشمل تقنيات الطباعة التلامسية للمصفوفات الدقيقة الطباعة بالدبابيس، والطباعة الدقيقة، والطباعة التدفقية. تُعدّ الطباعة بالدبابيس أقدم الطرق وأكثرها استخدامًا في الطباعة التلامسية لمصفوفات الحمض النووي الدقيقة. تستخدم هذه التقنية أنواعًا مختلفة من الدبابيس، مثل الدبابيس الصلبة، أو الدبابيس المنقسمة، أو دبابيس الريشة، لتحميل محلول العينة وتوصيله مباشرةً على أسطح المصفوفات الدقيقة الصلبة. تُقدّم الطباعة الدقيقة بديلًا للطباعة بالدبابيس الشائعة، وتُعرف أيضًا باسم الطباعة الحجرية المرنة ، والتي تشمل نظريًا تقنيات نقل الأنماط المختلفة والمترابطة باستخدام ركائز بوليمرية متجانسة منقوشة، وأبرزها الطباعة الدقيقة. على عكس الطباعة بالدبابيس، تُعدّ الطباعة الدقيقة طريقة ترسيب أكثر توازيًا وأقل تخصيصًا. تُحمّل طوابع معينة بالكواشف وتُطبع بمحاليل هذه الكواشف بشكل متطابق. [ 15 ]

الطباعة الحجرية

تجمع تقنية الطباعة الحجرية بين طرق متنوعة مثل الطباعة الضوئية، والطباعة التداخلية، والكتابة بالليزر، وشعاع الإلكترون، وقلم الغمس. وتُعدّ الطباعة الضوئية الطريقة الأكثر استخدامًا وبحثًا، حيث تُستخدم فيها أقنعة الطباعة الضوئية لتوجيه نيوكليوتيدات محددة إلى السطح. يُمرر ضوء الأشعة فوق البنفسجية عبر القناع الذي يعمل كمرشح إما لنقل الضوء أو حجبه عن سطح المصفوفة الدقيقة المحمي كيميائيًا. في حال حجب ضوء الأشعة فوق البنفسجية ، تبقى المنطقة محمية من إضافة النيوكليوتيدات، بينما في المناطق المعرضة له، يمكن إضافة المزيد منها. بهذه الطريقة، يُمكن إنتاج مصفوفات مخصصة عالية الجودة بكثافة عالية جدًا من خصائص الحمض النووي باستخدام جهاز صغير الحجم ذي أجزاء متحركة قليلة. [ 16 ] [ 17 ]

عدم التلامس

تتنوع طرق الطباعة غير التلامسية بين الطباعة الكيميائية الضوئية والطباعة الكهربائية وتوزيع القطرات. وعلى عكس الطرق الأخرى، لا تتضمن الطباعة غير التلامسية أي تلامس بين السطح والطابع أو الدبوس أو أي أداة توزيع أخرى مستخدمة. وتتمثل المزايا الرئيسية في تقليل التلوث، وتقليل الحاجة إلى التنظيف، وزيادة الإنتاجية التي تتزايد باستمرار. كما تتيح العديد من هذه الطرق تحميل المجسات بالتوازي، مما يسمح بإنتاج مصفوفات متعددة في وقت واحد. [ 14 ] [ 15 ]

خلايا حرة

في الأنظمة الخالية من الخلايا، تتم عمليتا النسخ والترجمة في الموقع نفسه، مما يجعل استنساخ البروتينات وتعبيرها في الخلايا المضيفة غير ضروري، إذ لا حاجة إلى خلايا سليمة. يتم تصنيع الجزيء المطلوب مباشرةً على سطح منطقة صلبة. تتيح هذه التحليلات إجراء تحليل عالي الإنتاجية في بيئة مضبوطة دون أي استنتاجات مرتبطة بالخلايا السليمة. [ 18 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ كارول، غريغوري ت.؛ وانغ، دينونغ؛ تورو، نيكولاس ج.؛ كوبرشتاين، جيفري ت. (2008). " الفوتونات لإضاءة عالم تنوع السكريات من خلال المصفوفات الحيوية" . مجلة جليكوكونجوجيت . 25 (1): 5-10 . doi : 10.1007/s10719-007-9052-1 . ISSN 0282-0080 . PMC 7088275. PMID 17610157 .   
  2. ↑ تسيه-وين تشانغ، تي دبليو (1983). "ارتباط الخلايا بمصفوفات الأجسام المضادة المختلفة المغلفة على سطح صلب". مجلة أساليب علم المناعة . 65 ( 1-2 ): 217-223 . doi : 10.1016/0022-1759(83)90318-6 . PMID 6606681 . 
  3. ↑ براءة الاختراع الأمريكية رقم 4591570 ، "مصفوفة من البقع المغلفة بالأجسام المضادة لتحديد المستضدات" 
  4. ↑ براءة الاختراع الأمريكية رقم 4829010 ، "جهاز فحص مناعي يحتوي على مصفوفات من بقع الأجسام المضادة لتحديد الخلايا" 
  5. ↑ براءة الاختراع الأمريكية رقم 5100777 ، "جهاز وطريقة مصفوفة الأجسام المضادة لتقييم الحالة المناعية" 
  6. ↑ شينا، م.؛ شالون، د.؛ ديفيس، ر. و.؛ براون، ب. أ. (1995). "الرصد الكمي لأنماط التعبير الجيني باستخدام مصفوفة الحمض النووي التكميلي". مجلة ساينس . 270 (5235): 467-470 . رمز Bibcode : 1995Sci...270..467S . doi : 10.1126/science.270.5235.467 . PMID 7569999. S2CID 6720459 .  
  7. ↑ وانغ، د؛ كارول، جي تي؛ تورو، إن جيه؛ كوبرشتاين، جي تي؛ كوفاتش، ب؛ ساكسينا، ر؛ أدامو، ر؛ هيرزنبرغ، إل إيه؛ هيرزنبرغ، إل إيه؛ شتاينمان، إل (2007). "مصفوفات الغليكان المُولَّدة ضوئيًا تُحدِّد أجزاء السكر المُحفِّزة للمناعة في بكتيريا الجمرة الخبيثة الخارجية" . علم البروتينات . 7 (2): 180-184 . doi : 10.1002/pmic.200600478 . PMID 17205603. S2CID 21145793 .  
  8. ↑ هام، دونهي؛ ويسترفيلت، روبرت م. (2007). "السيليكون الذي يحرك ويشعر بالكائنات الحية الصغيرة". نشرة جمعية دوائر الحالة الصلبة التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 12 (4): 4-9 . doi : 10.1109/N-SSC.2007.4785650 . S2CID 35867338 . 
  9. ^ قوه ، دبليو. فيلابلانا، إل؛ هانسون، J. ماركو، ف. فان دير ويجنجارت، دبليو (2020). "المقايسة المناعية على الورق الاصطناعي للثيول إيني تولد إشارة مضان متفوقة" . أجهزة الاستشعار الحيوية والالكترونيات الحيوية . 163 112279. دوى : 10.1016/j.bios.2020.112279 . اتش دي ال : 10261/211201 . بميد 32421629 . S2CID 218688183 .  
  10. ↑ باربولوفيتش-ناد وآخرون (2008). "تقنيات تصنيع المصفوفات الحيوية الدقيقة - مراجعة". مراجعات نقدية في التكنولوجيا الحيوية . 26 (4): 237-259 . CiteSeerX 10.1.1.661.6833 . doi : 10.1080/07388550600978358 . PMID 17095434. S2CID 13712888 .    
  11. ↑ تشو وآخرون (2017). "مادة حرارية من نوع ثيول-إين-إيبوكسي للربط بدرجة حرارة منخفضة بأسطح المصفوفات الدقيقة المُعدّلة حيويًا". Lab Chip . 17 (21): 3672–3681 . doi : 10.1039/C7LC00652G . PMID 28975170 .  
  12. ↑ دوفا، م (2008). "تصنيع مصفوفات الحمض النووي الدقيقة" . مصفوفات الحمض النووي الدقيقة للبحوث الطبية الحيوية . طرق في البيولوجيا الجزيئية. المجلد 529. الصفحات 63-79 . doi : 10.1007/978-1-59745-538-1_5 . ISBN   978-1-934115-69-5PMID 19381969. تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 سبتمبر 2022 . 
  13. 1 2 بيترسن، ديفيد دبليو؛ كاواساكي، إرنست إس (2007)، "تصنيع المصفوفات الدقيقة"، تكنولوجيا المصفوفات الدقيقة وتوصيف جينات السرطان ، التقدم في الطب التجريبي وعلم الأحياء، المجلد 593، نيويورك، نيويورك: سبرينغر نيويورك، الصفحات 1-11 ، doi : 10.1007/978-0-387-39978-2_1 ، ISBN   978-0-387-39977-5PMID 17265711​ 
  14. ١ ٢ ٣ باربولوفيتش-ناد، إيرينا؛ لوسينتي، مايكل؛ صن، يو؛ تشانغ، مينغجون؛ ويلر، آرون ر.؛ بوسمان، ماركوس (يناير ٢٠٠٦). "تقنيات تصنيع المصفوفات الحيوية الدقيقة - مراجعة". المراجعات النقدية في التكنولوجيا الحيوية . ٢٦ (٤): ٢٣٧-٢٥٩ . doi : 10.1080/07388550600978358 . ISSN 0738-8551 . PMID 17095434. S2CID 13712888 .   
  15. رومانوف ، فالنتين؛ دافيدوف، إس. نيكي؛ مايلز، آدم ر.؛ غرينجر، ديفيد و.؛ غيل، بروس ك.؛ بروكس، بنجامين د. (2014). "مقارنة نقدية لتقنيات تصنيع مصفوفات البروتين الدقيقة". المحلل . 139 ( 6 ): 1303-1326 . Bibcode : 2014Ana...139.1303R . doi : 10.1039/c3an01577g . ISSN 0003-2654 . PMID 24479125 .  
  16. ↑ ميلر، ميليسا ب.؛ تانغ، يي-وي (أكتوبر 2009). "المفاهيم الأساسية للمصفوفات الدقيقة وتطبيقاتها المحتملة في علم الأحياء الدقيقة السريري" . مراجعات علم الأحياء الدقيقة السريري . 22 ( 4): 611-633 . doi : 10.1128/cmr.00019-09 . ISSN 0893-8512 . PMC 2772365. PMID 19822891. S2CID 5865637 .    
  17. ↑ ساك، ماتي؛ هولز، كاثرين؛ هوليك، آن-كاترين؛ كريتشي، نيكول؛ سوموزا، فيرونيكا؛ ستينجيل، كلاوس-بيتر؛ سوموزا، مارك م. (2016-03-02). "تخليق مصفوفات الحمض النووي الدقيقة بتقنية الطباعة الضوئية باستخدام كيمياء مُحسَّنة ومجموعات حساسة للضوء عالية الكفاءة" . مجلة تقنية النانو الحيوية . 14 (1): 14. doi : 10.1186/s12951-016-0166-0 . ISSN 1477-3155 . PMC 4776362. PMID 26936369 .   
  18. ↑ شاندرا، هاريني؛ سريفاستافا، سانجيفا (1 ديسمبر 2009). " المصفوفات الدقيقة للبروتينات القائمة على التخليق الخلوي وتطبيقاتها". علم البروتينات . 10 (4): 717-730 . doi : 10.1002/pmic.200900462 . ISSN 1615-9853 . PMID 19953547. S2CID 22007600 .