اسیداوریک یکی از شاخصهای مهم زیستی در بدن انسان است و تغییر غلظت آن میتواند با مجموعهای از بیماریها و اختلالات از جمله نقرس، افزایش اسیداوریک خون، اختلال عملکرد کلیه و بیماریهای قلبیعروقی ارتباط داشته باشد.
در حال حاضر، اندازهگیری عمدتاً با استفاده از نمونه خون انجام میشود. این روش اگرچه استاندارد و قابلاعتماد است، معمولاً به نمونهگیری، تجهیزات آزمایشگاهی و نیروی متخصص نیاز دارد و برای پایش مداوم یا روزانه چندان مناسب نیست.
در مقابل، عرق میتواند راهی سادهتر و غیرتهاجمی برای دریافت اطلاعات زیستی از بدن باشد. مشکل اینجاست که مقدار اسیداوریک موجود در عرق بسیار پایین است و ترکیب پیچیده عرق نیز میتواند عملکرد حسگرها را با چالش مواجه کند.
پژوهشگران برای حل این مشکل به سراغ ترکیبی از گرافن سهبعدی، مهندسی پروتئین و فناوری زیستحسگرها رفتهاند.
چرا گرافن دوبعدی کافی نبود؟
گرافن به دلیل رسانایی الکتریکی بالا، سطح ویژه زیاد و ویژگیهای منحصربهفرد سطحی، یکی از مواد جذاب برای ساخت حسگرهای الکتروشیمیایی محسوب میشود.
با این حال، استفاده از گرافن به شکل ورقههای دوبعدی محدودیتهایی دارد. سطح در دسترس برای تثبیت آنزیمها محدود است و حرکت مولکولهای موردنظر از محلول به نقاط فعال حسگر نیز ممکن است به اندازه کافی سریع نباشد.
این محدودیت در مورد اسیداوریک اهمیت بیشتری پیدا میکند، زیرا غلظت این ماده در عرق پایین است و حسگر باید بتواند تعداد بسیار کمی از مولکولهای هدف را در میان مجموعهای پیچیده از ترکیبات موجود در عرق شناسایی کند.
پژوهشگران برای افزایش عملکرد، بهجای استفاده از ورقههای مسطح گرافن، یک چارچوب سهبعدی و متخلخل گرافنی طراحی کردند.
این ساختار شبکهای، سطح الکتروشیمیایی بسیار بزرگتری در اختیار حسگر قرار میدهد و مسیرهای بیشتری برای حرکت مولکولها فراهم میکند. در نتیجه، اسیداوریک میتواند سریعتر به نقاط فعال حسگر برسد و احتمال برهمکنش آن با بخش تشخیصدهنده افزایش پیدا کند.
اما ایجاد یک سطح بزرگ بهتنهایی کافی نیست. باید آنزیم تشخیصدهنده نیز بهگونهای روی این ساختار تثبیت شود که هم بهخوبی در جای خود باقی بماند و هم فعالیت زیستی خود را حفظ کند.
کازئین حرارتدیده؛ چسب زیستی برای گرافن
راهکار پژوهشگران استفاده از کازئین حرارتدیده بود؛ پروتئینی که پس از یک فرایند حرارتی ملایم به یک لایه چسبنده و سازگار با محیط زیستی تبدیل میشود.
این لایه مستقیماً روی چارچوب سهبعدی گرافن قرار گرفت و مانند یک واسط زیستی میان گرافن و آنزیم عمل کرد.
مهمترین وظیفه این لایه، تثبیت آنزیم اوریکاز (UOx) بود. اوریکاز آنزیمی است که در واکنش با اسیداوریک نقش دارد و به همین دلیل میتواند بخش اصلی سامانه شناسایی اسیداوریک در حسگر باشد.
کازئین حرارتدیده با ایجاد برهمکنشهای متعدد در سطح مشترک، امکان بارگذاری و نگهداری مقدار بیشتری از آنزیم را فراهم میکند و در عین حال فعالیت کاتالیستی آن را حفظ میکند.
این موضوع از آن جهت اهمیت دارد که روشهای متداول تثبیت آنزیم روی سطوح گرافنی گاهی به اصلاح شیمیایی شدید نیاز دارند. در این روشها ممکن است از گروههای عاملی مانند کربوکسیل، آمین یا هیدروکسیل برای ایجاد پیوندهای کووالانسی استفاده شود.
چنین اصلاحاتی اگرچه میتوانند آنزیم را محکم روی سطح نگه دارند، اما ممکن است ساختار طبیعی آنزیم و در نتیجه فعالیت زیستی آن را تغییر دهند.
روش جدید تلاش میکند بدون نیاز به چنین اصلاحات سختی، آنزیم را روی سطح گرافن تثبیت کند.
حساسیت در محدوده فمتومولار
نتایج آزمایشها نشان داد حسگر توسعهیافته عملکرد قابلتوجهی دارد.
در شرایط بهینه، این سامانه توانست اسیداوریک را در محدوده ۱ فمتومولار تا ۱۰ میکرومولار شناسایی کند و حد تشخیص آن به ۱ فمتومولار رسید.
فمتومولار واحدی برای بیان غلظتهای بسیار پایین است و برابر با ۱۰−۱۵ مولار محسوب میشود. رسیدن به چنین سطحی از حساسیت نشان میدهد حسگر قادر است مقادیر بسیار ناچیزی از ماده هدف را شناسایی کند؛ مسئلهای که برای اندازهگیری اسیداوریک در عرق اهمیت ویژهای دارد.
پژوهشگران همچنین گزارش کردند که حسگر از گزینشپذیری مناسبی برخوردار است و تغییرات pH در محدوده فیزیولوژیک عرق، تأثیر قابلتوجهی بر عملکرد آن نداشته است.
این ویژگی مهم است، زیرا عرق یک محلول ساده نیست و ترکیبات مختلفی در آن وجود دارد. یک حسگر کاربردی باید بتواند اسیداوریک را در چنین محیط پیچیدهای از سایر مواد موجود تفکیک کند.
آزمایش روی عرق مصنوعی و واقعی انسان
برای بررسی عملکرد حسگر در شرایط نزدیکتر به کاربرد واقعی، پژوهشگران آن را هم روی نمونههای عرق مصنوعی و هم روی عرق واقعی انسان آزمایش کردند.
نتایج اولیه امیدوارکننده بود. اندازهگیریهای انجامشده با حسگر در نمونههای انسانی با مقادیر بهدستآمده از آزمایشهای بالینی اسیداوریک خون ارتباط مثبت نشان داد.
به بیان ساده، هرچند عرق و خون از نظر ترکیب و غلظت مواد یکسان نیستند، افزایش یا کاهش اندازهگیری اسیداوریک در عرق تا حدی با تغییرات مشاهدهشده در اندازهگیری خون همراه بود.
البته این نتیجه بر اساس یک مطالعه مقدماتی با تعداد محدودی از افراد به دست آمده و برای اثبات قابلیت جایگزینی آزمایش خون، به مطالعات بالینی گستردهتر نیاز است.
گامی به سوی حسگرهای پوشیدنی
اهمیت اصلی این فناوری فقط در دستیابی به یک حد تشخیص بسیار پایین خلاصه نمیشود. ترکیب ساختار سهبعدی گرافن با یک لایه زیستی برای تثبیت آنزیم، میتواند الگویی برای طراحی طیف وسیعتری از زیستحسگرها باشد.
پژوهشگران معتقدند کازئین حرارتدیده میتواند بهعنوان یک لایه چسبنده زیستی عمومی برای تثبیت آنزیمها روی ساختارهای سهبعدی گرافنی مورد استفاده قرار گیرد.
چنین رویکردی میتواند در توسعه حسگرهای پوشیدنی اهمیت داشته باشد؛ تجهیزاتی که روی پوست قرار میگیرند و میتوانند بهصورت پیوسته ترکیبات موجود در عرق را بررسی کنند.
در صورت توسعه بیشتر این فناوری، میتوان تصور کرد که حسگرهای کوچک و پوشیدنی بهجای آنکه فرد را برای هر اندازهگیری به آزمایشگاه بفرستند، بهصورت مداوم اطلاعاتی درباره برخی شاخصهای زیستی در اختیار او و پزشک قرار دهند.
برای بیماریهایی مانند نقرس یا اختلالات مرتبط با متابولیسم اسیداوریک، چنین پایش مستمری میتواند از نظر شناسایی تغییرات و بررسی روند بیماری اهمیت داشته باشد.
با این حال، تبدیل یک حسگر آزمایشگاهی به یک ابزار پوشیدنی قابلاعتماد، مسیر سادهای نیست. پایداری آنزیم در استفاده طولانیمدت، تکرارپذیری اندازهگیری، تأثیر دما و ترکیب متغیر عرق، چسبندگی حسگر به پوست و کالیبراسیون در شرایط واقعی از جمله چالشهایی هستند که باید در مراحل بعدی بررسی شوند.
با وجود این ملاحظات، پژوهش جدید نشان میدهد گرافن سهبعدی میتواند از یک ماده رسانای جذاب به بستری برای زیستحسگرهای بسیار حساس تبدیل شود. در این فناوری، معماری متخلخل گرافن، لایه پروتئینی کازئین و آنزیم اوریکاز در کنار یکدیگر قرار گرفتهاند تا یکی از دشوارترین مسائل در پایش غیرتهاجمی سلامت، یعنی شناسایی مقادیر بسیار کم یک نشانگر زیستی در عرق، هدف قرار گیرد.
اگر این فناوری در مطالعات گستردهتر انسانی نیز عملکرد خود را حفظ کند، میتواند یکی از اجزای مهم نسل آینده سامانههای پوشیدنی پایش سلامت و پزشکی شخصیسازیشده باشد؛ سامانههایی که در آن، یک لایه نازک از ماده هوشمند روی پوست میتواند اطلاعاتی را فراهم کند که تا همین اواخر تنها از طریق سرنگ، آزمایشگاه و مقدار قابلتوجهی صبر انسانی به دست میآمد.