تراشه‌های میکروفلوئیدیک برای جداسازی سلول‌های سرطان پستان

مقدمه

سرطان پستان شایع‌ترین نوع سرطان در میان زنان در سراسر جهان است و دومین عامل مرگ‌ومیر ناشی از سرطان در این گروه محسوب می‌شود. بر اساس گزارش سازمان بهداشت جهانی، در سال 2020 بیش از 2.3 میلیون مورد جدید سرطان پستان تشخیص داده شد. سلول‌های توموری در حال گردش (CTCs) سلول‌هایی هستند که از تومور اولیه جدا شده و وارد جریان خون می‌شوند و نقش مهمی در متاستاز و پیشرفت بیماری دارند. جداسازی و تحلیل این سلول‌ها اطلاعات ارزشمندی درباره وضعیت بیماری، پاسخ به درمان، و احتمال عود سرطان ارائه می‌دهد. با این حال، به دلیل فراوانی بسیار کم CTCها (1 تا 10 سلول در هر میلی‌لیتر خون)، جداسازی آن‌ها چالش بزرگی است.

روش‌های سنتی جداسازی CTCها، مانند سانتریفیوژ یا روش‌های مبتنی بر نشانگرهای زیستی (مانند آنتی‌بادی‌های ضد EpCAM)، محدودیت‌هایی مانند هزینه بالا، زمان‌بر بودن، و وابستگی به ویژگی‌های سطحی سلول‌ها دارند. فناوری میکروفلوئیدیک اینرسی به‌عنوان یک روش نوین، با استفاده از خواص فیزیکی سلول‌ها (مانند اندازه، شکل، و سختی) و بدون نیاز به نشانگرهای زیستی، امکان جداسازی CTCها را با بازدهی بالا فراهم کرده است. تراشه‌های میکروفلوئیدیک با مقطع ذوزنقه‌ای به دلیل ایجاد جریان‌های ثانویه و گرادیان‌های سرعت قوی، کارایی جداسازی را بهبود بخشیده‌اند. این مقاله به بررسی اصول این فناوری، پیشرفت‌های اخیر، چالش‌ها، و چشم‌اندازهای آینده آن می‌پردازد.

اصول فناوری میکروفلوئیدیک اینرسی

میکروفلوئیدیک اینرسی از نیروهای هیدرودینامیکی مانند نیروی بالابر اینرسی (Inertial Lift Force) و نیروی دین (Dean Force) برای جداسازی سلول‌ها استفاده می‌کند. این نیروها به اندازه، شکل، و سختی سلول‌ها وابسته هستند و امکان تفکیک CTCها از سلول‌های خونی (مانند گلبول‌های قرمز و سفید) را فراهم می‌کنند. کانال‌های ذوزنقه‌ای، برخلاف کانال‌های مستطیلی، با تغییر هندسه جریان، الگوهای جریان ثانویه‌ای ایجاد می‌کنند که به تمرکز CTCها در مناطق خاصی از کانال کمک می‌کند. این ویژگی باعث افزایش دقت و بازدهی جداسازی می‌شود.

مزایای این فناوری شامل موارد زیر است:

– کم‌تهاجمی بودن: نیازی به برچسب‌گذاری شیمیایی یا نشانگرهای زیستی ندارد.

– سرعت بالا: امکان پردازش حجم زیادی از نمونه در زمان کوتاه.

– هزینه کم: تولید تراشه‌های میکروفلوئیدیک با موادی مانند پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (PDMS) نسبتاً ارزان است.

a) نمای شماتیک از غنی‌سازی سلول‌های توموری چرخشی (CTC) توسط یک کانال مارپیچی

سلول‌های CTC نزدیک به دیواره‌ی داخلی کانال متمرکز می‌شوند، در حالی که گلبول‌های سفید (WBCs)، گلبول‌های قرمز (RBCs) و پلاکت‌ها در خروجی، به‌دلیل اثرات ترکیبی نیروی بالابر اینرسی و نیروی کشش دین (Dean Drag)، بیشتر به سمت دیواره‌ی بیرونی متمرکز می‌شوند.

b) سمت چپ: تصویر نوری از بیوچیپ‌های مارپیچی تکی و چندگانه که برای جداسازی سلول‌های CTC با توان عبوردهی بالا از خون لیزشده استفاده می‌شوند.

سمت راست: نمای شماتیک که تکنیک‌های احتمالی پایین‌دستی برای شناسایی عملکردی سلول‌های CTC جداشده با استفده از بیوچیپ مارپیچی را نشان می‌دهد.

پیشرفت‌های اخیر در جداسازی CTCهای سرطان پستان

طی دهه گذشته، تحقیقات گسترده‌ای بر روی استفاده از تراشه‌های میکروفلوئیدیک اینرسی برای جداسازی CTCهای سرطان پستان انجام شده است. در ادامه، به برخی از مطالعات کلیدی اشاره می‌شود:

1. Warkiani و همکاران (2016): این گروه یک تراشه میکروفلوئیدیک مارپیچی با مقطع ذوزنقه‌ای طراحی کردند که از جریان‌های دین برای جداسازی CTCها استفاده می‌کرد. این تراشه توانست بیش از 85% از CTCها را از نمونه‌های خون بیماران مبتلا به سرطان پستان جدا کند. این روش به دلیل سادگی و عدم نیاز به تجهیزات پیچیده، برای کاربردهای بالینی مناسب است.

2. Shi و همکاران (2019): در این مطالعه، از یک تراشه میکروفلوئیدیک اینرسی برای جداسازی همزمان CTCها، اگزوزوم‌ها، و DNA آزاد در گردش (cfDNA) استفاده شد. این رویکرد امکان تحلیل جامع بیوپسی مایع را فراهم کرد و نشان داد که این فناوری می‌تواند اطلاعات چندگانه‌ای از نمونه‌های بالینی ارائه دهد.

4. Kulasinghe و همکاران (2020): این گروه یک تراشه میکروفلوئیدیک با مقطع ذوزنقه‌ای را با تکنیک‌های تصویربرداری پیشرفته ترکیب کردند تا CTCها را نه‌تنها جدا کنند، بلکه ویژگی‌های ژنتیکی و فنوتیپی آن‌ها را نیز تحلیل کنند. این روش برای شناسایی زیرگروه‌های مختلف CTCها و پیش‌بینی پاسخ به درمان مفید بود.
5. تحقیقات داخلی در ایران: مطالعات انجام‌شده در ایران نیز نشان‌دهنده پتانسیل این فناوری است. به‌عنوان مثال، نوروزشمسیان و همکاران (1399) یک سامانه میکروفلوئیدیک طراحی کردند که با ترکیب نیروهای دی‌الکتروفورسیس و اینرسی، CTCها را با دقت بالا از سلول‌های خونی جدا کرد. همچنین، حسینی (1396) تراشه‌ای با الکترودهای نانوساختار طراحی کرد که ویژگی‌های الکتریکی CTCها را برای تشخیص دقیق‌تر اندازه‌گیری می‌کرد.

این پیشرفت‌ها نشان‌دهنده توانایی بالای تراشه‌های میکروفلوئیدیک اینرسی در جداسازی CTCها و کاربردهای بالقوه آن‌ها در تشخیص و پایش سرطان پستان هستند.

چالش‌ها و محدودیت‌ها

با وجود پیشرفت‌های قابل‌توجه، فناوری میکروفلوئیدیک اینرسی همچنان با چالش‌هایی مواجه است:

1. فراوانی کم CTCها: تعداد CTCها در خون بسیار کم است (1 تا 10 سلول در میلی‌لیتر)، که نیازمند حساسیت بالای دستگاه و پردازش حجم زیادی از نمونه است.
2. ناهمگنی CTCها: CTCها از نظر ژنتیکی و فنوتیپی متنوع هستند، که ممکن است کارایی جداسازی را کاهش دهد. برخی CTCها ممکن است اندازه یا سختی مشابه سلول‌های خونی داشته باشند.
3. پیچیدگی ساخت: تولید تراشه‌های میکروفلوئیدیک با مقطع ذوزنقه‌ای نیازمند فناوری‌های پیشرفته مانند لیتوگرافی نرم است که می‌تواند هزینه‌بر باشد.
4. استانداردسازی: فقدان پروتکل‌های استاندارد برای استفاده از این فناوری در محیط‌های بالینی، پذیرش گسترده آن را محدود کرده است.

فرصت‌ها و جهت‌گیری‌های آینده

فناوری میکروفلوئیدیک اینرسی فرصت‌های متعددی برای بهبود تشخیص و درمان سرطان پستان ارائه می‌دهد:

1. تشخیص زودهنگام: جداسازی CTCها در مراحل اولیه بیماری می‌تواند به شناسایی سرطان پیش از ظهور علائم بالینی کمک کند.
2. شخصی‌سازی درمان: تحلیل ژنتیکی و فنوتیپی CTCها می‌تواند به پزشکان در انتخاب درمان‌های هدفمند کمک کند.
3. ترکیب با فناوری‌های نوین: ادغام میکروفلوئیدیک با روش‌هایی مانند نانوتکنولوژی، تصویربرداری پیشرفته، یا هوش مصنوعی می‌تواند دقت و کارایی جداسازی را افزایش دهد.
4. کاربردهای چندگانه: این فناوری می‌تواند برای جداسازی سایر اجزای بیوپسی مایع، مانند اگزوزوم‌ها یا cfDNA نیز استفاده شود.

تحقیقات آینده باید بر بهبود طراحی تراشه‌ها، کاهش هزینه‌های تولید، و ایجاد پروتکل‌های استاندارد برای کاربردهای بالینی متمرکز شوند. همچنین، توسعه تراشه‌های قابل‌حمل و ارزان می‌تواند این فناوری را برای استفاده در مناطق با منابع محدود مناسب‌تر کند.

نتیجه‌گیری

تراشه‌های میکروفلوئیدیک اینرسی با مقطع ذوزنقه‌ای به دلیل توانایی جداسازی CTCها با دقت بالا، کم‌تهاجمی بودن، و عدم وابستگی به نشانگرهای زیستی، پتانسیل بالایی برای کاربرد در تشخیص و درمان سرطان پستان دارند. پیشرفت‌های اخیر در این زمینه، مانند طراحی تراشه‌های مارپیچی و ترکیب با تکنیک‌های تصویربرداری، کارایی این فناوری را بهبود بخشیده است. با این حال، چالش‌هایی مانند فراوانی کم CTCها، ناهمگنی آن‌ها، و هزینه‌های تولید همچنان باقی است. تحقیقات آینده می‌توانند با تمرکز بر استانداردسازی، کاهش هزینه‌ها، و ادغام با فناوری‌های نوین، این روش را به ابزاری استاندارد در بالین تبدیل کنند. این فناوری نه‌تنها در تشخیص زودهنگام و پایش سرطان پستان، بلکه در شخصی‌سازی درمان‌ها و بهبود نتایج بیماران نقش مهمی ایفا خواهد کرد.

نویسنده: پانیذ فراهانی

منابع

1. Ultra-fast, label-free isolation of circulating tumor cells from blood using spiral microfluidics

2. A Hybrid Spiral Microfluidic Platform Coupled with Surface Acoustic Waves for Circulating Tumor Cell Sorting and Separation: A Numerical Study

3. Microfluidic platform for circulating tumor cells isolation and detection

دانلود PDF مقاله