מדענים של UC Riverside פיתחו כלי מבוסס ננו-פוריים שיכול לעזור לאבחן מחלות הרבה יותר מהר ובדיוק רב יותר ממה שמאפשרות הבדיקות הנוכחיות, על ידי לכידת אותות ממולקולות בודדות.
מכיוון שהמולקולות שמדענים רוצים לזהות – בדרך כלל מולקולות DNA או חלבון מסוימות – הן ברוחב של כמיליארד המטר, האותות החשמליים שהם מייצרים קטנים מאוד ודורשים מכשירי זיהוי מיוחדים.
"כרגע, אתה צריך מיליוני מולקולות כדי לזהות מחלות. אנחנו מראים שאפשר לקבל נתונים שימושיים רק ממולקולה אחת", אמר קווין פרידמן, עוזר פרופסור לביו-הנדסה ב-UCR ומחבר ראשי של מאמר על הכלי ב טבע ננוטכנולוגיה. "רמת הרגישות הזו יכולה לעשות הבדל אמיתי באבחון מחלות."
המעבדה של פרידמן שואפת לבנות גלאים אלקטרוניים שמתנהגים כמו נוירונים במוח ויכולים לשמר זיכרונות: במיוחד, זיכרונות מהם עברו מולקולות בעבר דרך החיישן. לשם כך, מדעני ה-UCR פיתחו מודל מעגל חדש המסביר שינויים קטנים בהתנהגות החיישן.
בליבת המעגל שלהם הוא ננו-פורי; פתח זעיר שדרכו עוברות מולקולות אחת בכל פעם. דגימות ביולוגיות נטענות למעגל יחד עם מלחים, שמתפרקים ליונים.
אם מולקולות חלבון או DNA מהדגימה עוברות דרך הנקבוביות, הדבר מפחית את זרימת היונים שיכולים לעבור. "הגלאי שלנו מודד את הפחתת הזרימה הנגרמת מחלבון או מעט DNA שעובר וחוסם את מעבר היונים", אמר פרידמן.
כדי לנתח את האותות החשמליים שנוצרו על ידי היונים, מציע פרידמן, המערכת צריכה לקחת בחשבון את הסבירות שחלק מהמולקולות לא יתגלו כשהן עוברות דרך הננופורה.
מה שמייחד את הגילוי הזה הוא שהננופור אינו רק חיישן אלא בעצמו פועל כמסנן, ומפחית רעשי רקע ממולקולות אחרות בדגימה שעלולים לטשטש אותות קריטיים.
חיישנים מסורתיים דורשים מסננים חיצוניים כדי להסיר אותות לא רצויים, ומסננים אלה יכולים להסיר בטעות מידע בעל ערך מהדגימות. הגישה של פרידמן מבטיחה שהאות של כל מולקולה נשמר, מה שמגביר את הדיוק עבור יישומי אבחון.
Freedman צופה שהמכשיר משמש לפיתוח ערכת אבחון קטנה וניידת – לא גדולה מכונן USB – שיכולה לזהות זיהומים בשלבים המוקדמים ביותר. בעוד שהבדיקות של היום עשויות שלא לרשום זיהומים במשך מספר ימים לאחר החשיפה, חיישני ננופור יכולים לזהות זיהומים בתוך 24 עד 48 שעות. יכולת זו תספק יתרון משמעותי למחלות המתפשטות במהירות, ומאפשרת התערבות וטיפול מוקדם יותר.
ננו-נקבובית מציעות דרך לתפוס זיהומים מוקדם יותר – לפני הופעת התסמינים ולפני שהמחלה מתפשטת. סוג זה של כלי יכול להפוך את האבחון המוקדם למעשי הרבה יותר עבור זיהומים ויראליים ומצבים כרוניים".
קווין פרידמן, עוזר פרופסור לביו-הנדסה ב-UCR
בנוסף לאבחון, המכשיר טומן בחובו הבטחה לקידום מחקר החלבונים. חלבונים ממלאים תפקידים חיוניים בתאים, ואפילו שינויים קלים במבנה שלהם יכולים להשפיע על הבריאות. כלי אבחון עדכניים מתקשים להבחין בין חלבונים בריאים לגורמי מחלות בגלל הדמיון ביניהם. מכשיר הננופור, לעומת זאת, יכול למדוד הבדלים עדינים בין חלבונים בודדים, מה שיכול לעזור לרופאים לעצב טיפולים מותאמים אישית יותר.
המחקר גם מקרב מדענים להשגת רצף חלבון מולקולה אחת, מטרה מבוקשת בביולוגיה. בעוד שרצף DNA חושף הוראות גנטיות, ריצוף חלבון מספק תובנה כיצד הוראות אלו באות לידי ביטוי ומשתנות בזמן אמת. הבנה מעמיקה זו עשויה להוביל לגילוי מוקדם יותר של מחלות וטיפולים מדויקים יותר המותאמים לכל מטופל.
"יש תנופה רבה לקראת פיתוח רצף חלבונים כי זה ייתן לנו תובנות שאיננו יכולים לקבל מ-DNA בלבד", אמר פרידמן. "ננובורים מאפשרים לנו לחקור חלבונים בדרכים שלא היו אפשריות קודם לכן."
ננו-נקבובית הם המוקד של מענק מחקר ממומן שפרידמן הוענק על ידי המכון הלאומי לחקר הגנום האנושי, שבו הצוות שלו ינסה לרצף חלבונים בודדים. עבודה זו מתבססת על מחקריו הקודמים של פרידמן על חידוד השימוש בננו-נקבוביות לצורך חישת מולקולות, וירוסים וישויות ננו-מטריות אחרות. הוא רואה בהתקדמות הללו סימן לאופן שבו אבחון מולקולרי ומחקר ביולוגי עשויים להשתנות בעתיד.
"יש עדיין הרבה מה ללמוד על המולקולות המניעות בריאות ומחלות", אמר פרידמן. "הכלי הזה מקדם אותנו צעד אחד יותר לרפואה מותאמת אישית".
פרידמן מצפה שטכנולוגיית ננופור תהפוך בקרוב לתכונה סטנדרטית בכלי מחקר וגם בכלי בריאות. ככל שהמכשירים הופכים לזולים ונגישים יותר, הם יכולים למצוא מקום בערכות אבחון יומיומיות המשמשות בבית או במרפאות.
"אני בטוח שננו-נקבים יהפכו לחלק מחיי היומיום", אמר פרידמן. "הגילוי הזה יכול לשנות את האופן שבו נשתמש בהם קדימה."
