کاربرد صوت در زیست شناسی مولکولی

مهندسین و زیست شناسان از امواج صوتی برای مخلوط کردن سیالات، حرکت دادن سلول‌ها و توزیع مایعات استفاده می‌کنند. Nathan Blow در این مطالعه به این که علم صدا (acoustic) چگونه می‌تواند روی زیست شناسی مولکولی و آزمایشاتی با بازده بالا مؤثر باشد، می‌پردازد. 

 

به گزارش پژوهشکده مجازی بیوتکنولوژی پزشکی،Tony Huang  استاد برجسته و دارنده کرسی ممتاز از طرف انستیتو علوم طبیعی Huck در علوم زیست مهندسی و مکانیک دانشگاه ایالت پنسیلوانیا است. او اولین بار زمانی که پزشکان ازامواج صوتی با فرکانس بالا برای سونوگرافی همسرش در طی دوران بارداری استفاده کردند، متوجه شد که این تکنیک بی ضرر و کاربردی است. روش سونوگرافی مبتنی بر حرکت امواج با فرکانس بالا، برای ایجاد تصویر از بافت‌های نرم است. با ارسال امواج با فرکانس بالا با استفاده از یک پروب، دستگاه‌های سونوگرافی به ضبط پژواک حاصل از بافت‌های بدن برای ایجاد تصویر می‌پردازند. بافت‌ها و ساختارهای مختلف بدن امواج صوتی را با زوایا و درجات مختلف منعکس می‌کنند. هوانگ که در زمینه علوم مهندسی آموزش دیده بود، به تحقیق در مورد سایرخصوصیات منحصر به فرد امواج صوتی غیر از تصویر برداری پرداخت. تفکرات او منجر به شکل گیری نگرش جدیدی درباره امکان استفاده از علم صوت گردید که با استفاده از آن می توانست به برخی از سؤالات مهم در آزمایشات و تحقیقات زیست پزشکی خود در آن زمان پاسخ دهد. استفاده از صوت در آزمایشگاه دارای مزایای زیادی است. برای مثال، بر خلاف سایر روش مبتنی بر وجود نور به منظور تصویربرداری، سیستم‌ها و دستگاه‌هایی که از امواج صوتی استفاده می‌کنند می‌توانند کوچک‌تر باشند و نیازی به آشکار سازهای بزرگ ندارند و از طرفی به صورت قابل توجهی کم هزینه تر هستند. این خصوصیات در دستگاه‌های مبتنی بر استفاده از امواج صوتی، آن‌ها را به وسایلی قابل حمل و کاربردی تبدیل کرده است. هوانگ معتقد است که تکنیک‌های مبتنی برصوت به دلیل بی ضرر بودن مستعد ایجاد آسیب کم تری در نمونه‌های بیولوژیک تحت آزمایش می‌باشند. از آن جا که او در آزمایشگاه خود به دنبال ساخت سیالاتی با حجم‌های کوچک بود، استفاده از صوت در زیست شناسی مولکولی نسبت به پمپ‌های مکانیکی و دستگاه‌های مبتنی برنور نتایج بهتری را در برداشت، اگرچه این روش ها کمی غیر متداول بودند.

 به عقیده هوانگ در آن زمان، بسیاری از محققان بیشتر از کاربرد های نور نسبت به صوت بهره می گرفتند. با وجود این که این تحقیقات، فرصت مناسبی برای پایه گذاری یک فن آوری در حال توسعه مهم را برای او فراهم کرد ، او اضافه می کند که علم صوت دارای خصوصیات منحصر به فردی است که سایر روش ها از آن بی بهره اند.

تاریخچه این تحقیقات به چندین سال قبل بر می‌گردد. هوانگ و همکارانش اعضای مؤسس مرکزی منحصر به فرد در دنیای زیست شناسی مولکولی هستند که در آن از صوت به منظور دست ورزی و یا به حرکت درآوردن سلول‌های مجزا و سیالات وهمچنین مخلوط کردن مولکول‌های زیستی و توزیع آن‌ها در لوله و ظرف‌های آزمایش استفاده می‌شود. به دنبال فعالیت‌های او در این زمینه،  سایر محققان  به درک یکسانی از این واقعیت رسیدند که چگونه صوت می‌تواند محلول هایی با خصوصیات ویژه را به مایعات کم حجم تبدیل کند و یا روش های منحصر به فردی برای افزایش کارایی داروها و یا سیستم‌های غربالگری ژنی فراهم کند.

 عصر جدیدی در استفاده از امواج صوتی

هوانگ برای توصیف آزمایشات خود به واژه Acoustofluid­ics اشاره می‌کند. او می‌گوید: فعالیت‌های ما در آزمایشگاه بر تداخل علم صوت، سیالات و تکنولوژی‌های در حد نانو و میکرو استوار است. استفاده از این روش‌ها به حل مشکلات زیست پزشکی منجر می‌شود، بنابراین واژه Acoustofluidics اصطلاح مناسبی برای توصیف این تکنیک است.

 آزمایشگاه هوانگ در حال حاضر در زمینه تحقیقات Acoustofluidics در سه حوزه مختلف فعالیت می‌کند. در دو حوزه از این تحقیقات از امواج صوتی برای حرکت دادن سلول از جایی به جای دیگر استفاده می‌شود. جداسازی سلولی یکی از کاربردهای مهم تحقیقات زیست شناسی سلولی است. هوانگ معتقد است که استفاده از تکنیک‌های مرتبط با صدا می‌تواند تأثیر مهمی در این زمینه ایجاد کند. در سیستم‌های جداسازی سلولی مانند (FACS) Fluorescence-activated cell sorting سرعت حرکت مولکول‌ها و ولتاژ زیاد است. صوت یک روش مناسب تر برای دست ورزی سلول‌هاست که مزیت‌های این روش در آزمایشگاه هوانگ با توسعه دستگاه‌های جداسازی سلولی را آشکار شد. در تحقیقات جدید، هوانگ و همکارانش موفق به جداسازی سلول‌های سرطانی درحال گردش در نمونه‌های خونی بیماران سرطانی با استفاده از صوت شدند. این روش جداسازی از امواج صوتی با زاویه مایل استفاده می‌کند. در این روش امواج صوتی با زوایه خاصی نسبت به جهت جریان استفاده می‌شود که این امر منجر می‌شود که سلول‌ها تحت تشعشعات صوت و نیروی کشنده ملایم تری قرار بگیرند و جداسازی بهتری صورت می‌گیرد؛ اما مزیت اصلی این روش برای هوانگ ایجاد آسیب کم تر در سلول‌ها به وسیله صوت است، بنابراین ماهیت سلول‌هایی که توسط این روش جداسازی تغییر نمی‌یابد. هوانگ معتقد است که دراین روش جداسازی سلولی بدون نشانه دار کردن آن‌ها، خصوصیات سلول‌ها حفظ می‌شود که اطلاعات بیشتری در مورد سرطان و زیست شناسی پایه برای ما فراهم می‌کند که منجر به ارتقا روش‌های تشخیص و درمان می‌گردد. در آزمایشگاه هوانگ تنها از امواج صوتی برای جداسازی سلولی استفاده نمی‌شود، بلکه از صوت به منظور حرکت دادن سلول‌ها به یک مکان خاص نیز استفاده می‌گردد. او می‌گوید با کنترل دقیق میدان ایجاد شده ناشی از صوت می توان امکان حرکت سلول‌ها را  به محل تجمع سلولی دریک مایع فراهم کرد. این تجمع می‌تواند کاربردهایی در زمینه مهندسی بافت و همینطور تشخیص ارتباطات سلولی در دو و سه بعد را فراهم کند. تیم دکتر هوانگ همچنین به تحقیق در مورد کاربرد صوت در حرکت وقرارگیری سلول‌ها در سوسپانسیون و یا زمانی که سلول‌ها در تماس با سطح هستند، پرداختند.

زنگ هشدار در استفاده از امواج صوتی

علاوه بر دست کاری‌های سلولی، علم آکوستیک نیز که در حال حاضر برای مخلوط کردن، پمپاژ یا انتقال محلول ها استفاده می‌شود. در واقع، می‌توان استدلال کرد که این یک کاربرد قدیمی برای صوت در آزمایشگاه‌های مدرن زیست شناسی مولکولی است و نظریاتی که هوانگ به آن‌ها اشاره می‌کند می‌تواند راهکارهای مهمی را در زمینه تحقیق در مورد سیال‌هایی یا حجم کم فراهم کند. به عقیده هوانگ در طول سال‌ها خیلی از تحقیقات در این زمینه با شکست مواجه شده است که این امر به علت نبود محصولات تجاری قابل استفاده برای سیالاتی با حجم کم است. هوانگ معتقد است که عدم وجود محصولات تجاری قابل استفاده برای سیالاتی با حجم کم و دشواری ساخت این سیالات، منجر عدم تجاری سازی این دستگاه‌ها توسط محققان این رشته شده است. بسیاری از نوآوری‌ها در این زمینه کاربردی نیستند. از نظر هوانگ عامل ایجاد تفاوت در دستگاه های مبتنی بر صوت، توانایی قسمت پایه ای دستگاه در کنترل مایعات است

جداکننده سلولی با استفاده از صوت که در آزمایشگاه دکتر هوانگ ابداع شد و برای جدا سازی سلول های توموری در گردش مورد استفاده قرار گرفت.

 

 سوالی که برای دانشمندان دیگر ایجاد شد این بود که دستگاه های ساخته شده براساس حرکت صوت می توانند تکنولوژی استفاده از مایعات را ارتقا دهند یا نه و چگونه این دستگا ها می توانند کاربرد های بالقوه ای در زمینه کار با سیالاتی با حجم کم داشته باشند. شرکت بزرگ داروسازی AstraZeneca به منظور افزایش کیفیت ساخت دارو از این روش استفاده می کند. این شرکت در اواخر ماه نوامبر اعلام کرد که قصد دارد یک سیستم کنترل مواد را برای آزمایشات جدید خود به کار گیرد که از سیستم کنترل مایع با صوت Echo درشرکت Labcyte  درکالیفرنیا استفاده کند.

 در فن آوری اکو از امواج صوتی برای خارج کردن حجم های بسیار کمی از مایع، در حدود 2.5 نانولیتر، با سرعت زیاد حدود 500 بار در ثانیه استفاده می شود. برای انتقال مایع از یک ظرف به ظرف دیگر، منبع امواج صوتی در زیر پلیت منبع قرار گرفته و پلیت که مایع باید به آن انتقال یابد در بالای پلیت منبع به صورت معکوس و در مجاورت آن قرار می گیرد. امواج صوتی به مایع داخل پلیت منبع رسیده و منجر به حرکت قطره ای به حجم 2.5 نانولیتر به پلیت دوم می شود. کشش سطحی باعث نگه داری قطره در داخل پلیت دوم می شود تا زمانی فرایند انتقال کامل شود. این روش های مبتنی بر استفاده از امواج صوتی منجر به کاهش تماس مستقیم با محلول شده و نسبت به روش های مرسوم انتقال مایعات هزینه کم تری دارد.

Clive Green متصدی کنترل مواد در شرکت AstraZeneca در اطلاعیه منتشر شده درباره سیستم های کنترل مواد بر پایه امواج صوتی می گوید: این روش با استفاده از کاهش حجم مایعات تا ده برابر، تحول بزرگی در زمینه کنترل مواد ایجاد کرده است. همچنین لوله های تولید امواج صوتی با جریانی که ایجاد می کنند، امکان ساخت پلیت های آماده برای ازمایش را فراهم می کنند که این امر گام اساسی دیگری برای آزمایشات انتقال مایعات با صوت است. استفاده از حجم های کوچک تر از مایعات که به وسیله امواج صوتی انتقال می یابد، نقش اساسی در افزایش تعداد چاهک ها و نمونه ها دارد که  منجر به ایجاد سیستم های رباتیک بزرگ امروزی با بازده بالا شده است که به صورت تنظیم شده می توانند برای آزمایشات مورد استفاده قرار گیرند. ازآنجا ‌که استفاده از پمپ‌ها و سرنگ برای مخلوط کردن مایعاتی با حجم کم می‌تواند به از دست دادن مایع منجر شود، استفاده از دستگاههای که همزمان به سنجش تعداد زیادی نمونه می پردازند نیز این فرایند را تشدید می کند.

نمایی از چگونگی استفاده از فن آوری ارتعاش امواج صوتی برای انتقال مایعات چاهک ها در دو ظرف مجزا استفاده می شود

 

چشم انداز استفاده از امواج صوتی

اگرچه هوانگ معتقد است روش مبتنی بر صوت دارای مزیت های مهمی درکاهش هزینه وافزایش کارایی است و از طرفی سیستم‌های نظیر اکو در شرکت Labcyte شروع به ظهورکردند، این روش از نظر او در مراحل اولیه است، بنابراین با چالش هایی روبرو خواهد شد. یکی از مشکلاتی که در این زمینه وجود دارد این است که محققان علوم پایه اطلاعات پایه ای کمی در علوم مهندسی دارند. هوانگ امیدوار است که این موانع در آینده برطرف شده و فن آوری های مبتنی بر پایه استفاده از امواج صوتی تجاری سازی شود.  با همکاری شرکت های بزرگی مانند AstraZeneca که در تحقیقات خود از امواج صوتی برای کنترل مایعات استفاده می کنند و سایر محققان که از صوت برای مخلوط کردن و یا جداسازی سلول ها بهره می گیرند، بر طبق پیش بینی هوانگ می توان هدف نهایی رسید. اگرچه با وجود پیشرفت تکنولوژی در حال حاضر، تحقق این اهداف در آینده میسر می گردد.  

مترجم: نسترن مسعودی خرم--دانشجوی دکترای بیوفیزیک

منبع

 1.Nathan Blow, Sounds of  Molecular Biology, BioTechniques 2016;60:8-11