بیوسنسورها در آزمایشگاه‌های پزشکی

با افزایش جمعیت سالمند و شیوع بیماری‌های مزمن مرتبط با سبک زندگی، نیاز به روش‌های پیشرفته تشخیصی به طور چشمگیری افزایش‌یافته است. توسعه بیوسنسورها در پزشکی، امکان پایش مستمر و سریع نشانگرهای زیستی مختلف و در نتیجه، نظارت لحظه‌ای بر وضعیت سلامت افراد را فراهم می‌کند. این حسگرها با تحلیل نشانگرهای مولکولی و با استفاده از پارامترهایی مانند دما، دامنه فعالیت قلب، غلظت الکترولیت‌های بدن، میزان هیدراتاسیون و سطح گلوکز خون، اطلاعات ارزشمندی را ارائه می‌دهند.

تعریف بیوسنسورها در پزشکی

بیوسنسورها در پزشکی، دستگاه‌های تحلیلی هستند که تغییرات ناشی از فرایندهای بیولوژیکی را اندازه‌گیری و به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند. این فرایندهای بیولوژیکی می‌توانند شامل هر عنصر یا ماده بیولوژیکی مانند آنزیم‌ها، بافت‌ها، میکروارگانیسم‌ها، سلول‌ها، اسیدهای نوکلئیک و غیره باشند. خروجی مبدل، باتوجه‌به به نوع آنزیم و مواد کاربردی در بخش بیولوژیکی حسگر، به‌صورت جریان یا ولتاژ الکتریکی خواهد بود. فناوری حسگرهای زیستی، علاوه بر تحلیل فرایندهای بیولوژیکی، برای تجزیه‌وتحلیل سایر کمیت‌های فیزیکی نیز کاربرد دارد.

بیوسنسورها در پزشکی از اجزای مختلفی شامل آنالیت (ماده مورد اندازه‌گیری)، گیرنده زیستی، مبدل، بخش الکترونیکی و نمایشگر تشکیل می‌شوند. نمایشگر مورداستفاده در حسگر زیستی معمولاً به پردازنده‌های الکترونیکی یا مدارهای پردازش سیگنال متصل است تا نتیجه را نمایش دهد. این نمایشگرها اغلب به‌صورت اختصاصی برای تطابق با اصول عملکرد گوناگون حسگرهای زیستی طراحی و ساخته می‌شوند و گاهی اوقات پرهزینه‌ترین بخش تولید یک حسگر را تشکیل می‌دهند. وظیفه مبدل، ثبت داده‌ها و تبدیل محرک (ناشی از واکنش بیولوژیکی) به سیگنال الکتریکی است تا بتوان آن را به‌عنوان داده خروجی کمی‌سازی کرد. این فرایند به حسگر امکان می‌دهد تا ماده موردنظر را تحت‌تأثیر محرک‌های مختلف تجزیه‌وتحلیل کند.

نقش و تاثیر بیوسنسورها بر سلامت و زندگی افراد

بیوسنسورها در پزشکی با موفقیت برای تشخیص بیماری، پیشگیری، توان‌بخشی، نظارت بر سلامت بیماران و مدیریت سلامت انسان به کار می‌روند. همچنین از حسگرهای زیستی می‌توان برای شناسایی باکتری‌ها، عوامل بیماری‌زا و میکروارگانیسم‌های ویروسی نیز استفاده کرد. ردیاب‌های ورزشی و گام‌شمارها که نوعی بیوسنسور به شمار می‌روند، بدون نیاز به خون‌گیری، به طور خودکار مواد شیمیایی موجود در بدن انسان را تشخیص می‌دهند. این بیوسنسورها به طور مداوم، متغیرهای متعددی را به طور هم‌زمان بررسی می‌کنند. در برخی شرایط پزشکی برای پایش مداوم شیمی بدن، معمولاً افراد باید در بیمارستان بستری شوند، اما استفاده از این بیوسنسورها به افراد امکان می‌دهد تا در هر مکانی به اطلاعات مربوط به مواد شیمیایی موجود در بدن خود دسترسی داشته باشند. افراد می‌توانند تمام این اطلاعات را در یک اپلیکیشن تلفن همراه جمع‌آوری کرده و آن را با پزشک، مراقب یا هر کسی که می‌خواهند به اشتراک بگذارند.

دلایل پیشرفت بیوسنسورها در پزشکی

بیوسنسورها در پزشکی، روش‌های تشخیص بیماری و شرایط مختلف پزشکی را از حالت متمرکز آزمایشگاهی به سمت مدل غیرمتمرکز و دسترس‌پذیرتر تغییر می‌دهند. در روش سنتی تشخیص، نمونه بیمار به آزمایشگاهی خارج از محل ارجاع داده می‌شد و بیمار پس از انجام آزمایش‌ها، معمولاً ظرف چند ساعت منتظر دریافت نتایج می‌ماند. در مقابل، شناسایی سریع عوامل بیماری‌زا توسط حسگرهای زیستی، امکان واکنش سریع‌تر و در نتیجه، پایش مؤثرتر بیماری را فراهم می‌آورد. اساس کار یک حسگر زیستی، تبدیل یک واکنش بیولوژیکی (که توسط مواد بیولوژیکی رخ می‌دهد) به یک سیگنال قابل‌اندازه‌گیری و تفسیر آن است. این نشانگر زیستی می‌تواند ماهیتی غیر بیولوژیکی مانند گلوکز یا بیولوژیکی مانند پروتئین داشته باشد. برای تبدیل این واکنش به سیگنال قابل خواندن، معمولاً از مبدل‌های الکتروشیمیایی یا نوری استفاده می‌شود.

کاربرد بیوسنسورها

بیوسنسورها در پزشکی، کاربردهای برجسته‌ای در حوزه‌های مختلف، به‌ویژه در بخش‌هایی که خدمات بهداشتی و بالینی در اولویت قرار دارند، پیدا کرده‌اند. تشخیص بیماری‌ها، پروتزهای شبکیه، تصویربرداری با کنتراست بالا در MRI، تشخیص بیماری‌های قلبی، قارچ‌شناسی پزشکی، پایش سلامت و موارد دیگر، از جمله ویژگی‌های حسگرهای زیستی به شمار می‌روند. یکی دیگر از کاربردهای مهم حسگرهای زیستی، تشخیص بیماری‌های قلبی است. بیماری‌های قلبی عروقی، عامل اصلی مرگ‌ومیر در سراسر جهان محسوب می‌شوند و سالانه جان بیش از ۱۷ میلیون نفر را می‌گیرند. حسگرهای زیستی با استفاده از نشانگرهای زیستی خاص، نقش مهمی در تحول تشخیص این بیماری‌ها ایفا می‌کنند.

دلایل استفاده از بیوسنسورها در پزشکی

در سطح جهانی، شیوع دیابت و استفاده از حسگرهای زیستی توسط بیماران دیابتی، از دیگر دلایل استفاده و کاربردهای مهم بیوسنسورها در پزشکی است؛ زیرا نیاز به تشخیص سریع و پیشگیرانه دیابت روبه‌افزایش است. پیشرفت‌ها در حسگرهای زیستی، امکان اندازه‌گیری گلوکز خون را در محدوده‌های غلظتی مختلف فراهم کرده است. افزایش حساسیت و دقت این حسگرها و همچنین کاهش حجم نمونه موردنیاز، باعث گسترش استفاده از آنها در میان بیماران دیابتی می‌شود. به طور خلاصه کاربردهای متنوع حسگرهای زیستی شامل موارد زیر است:

مدیریت دیابت: بیماران دیابتی می‌توانند با استفاده از حسگرهای زیستی گلوکز، سطح قند خون خود را در منزل کنترل کرده و از هیپرگلیسمی (افزایش قند خون) جلوگیری کنند.

تشخیص آسیب عضله قلب: سیستم‌های تجاری متعددی برای تشخیص تروپونین قلبی (نشانگر آسیب عضله قلب) با استفاده از حسگرهای زیستی در دسترس هستند. این سیستم‌ها که اغلب به‌صورت قابل‌حمل طراحی شده‌اند، توسط پزشکان برای تشخیص انفارکتوس حاد میوکارد (حمله قلبی) مورداستفاده قرار می‌گیرند.

تشخیص بیومولکولی: بیوسنسورها در پزشکی با امکان شناسایی مستقیم آنالیت و تولید خودکار سیگنال قابل‌تشخیص، سرعت پردازش بالایی دارند. این ویژگی، آنها را برای استفاده در دستگاه‌های قابل‌حمل و تست‌های مراقبتی مثل تست‌های اعتیاد و بارداری مناسب می‌سازد.

پایش سلامت: پایش فشارخون در منزل نیز نمونه‌ای از کاربرد بیوسنسورها در پزشکی و حفظ سلامت است.

حسگرهای زیستی قابل‌کاشت: این نوع بیوسنسورها در پزشکی باوجود چالش‌های فنی، پتانسیل بالایی برای تحول در مراقبت از بیمار و درمان بیماری‌ها، به‌ویژه در تولید داروهای شخصی‌سازی شده، دارند.

سوالات متداول بیوسنسورها در آزمایشگاههای پزشکی

۱- بیوسنسورهای پوشیدنی چگونه می‌توانند در مدیریت بیماری‌های مزمن مانند فشارخون بالا، بدون نیاز به مراجعه مداوم به پزشک، به بیماران کمک کنند؟

این بیوسنسورها با پایش مداوم و بی‌درنگ پارامترهای فیزیولوژیکی مانند فشارخون، اطلاعات را به‌صورت لحظه‌ای به بیمار و پزشک ارسال می‌کنند و امکان تنظیم دارو و مداخلات درمانی به‌موقع را فراهم می‌سازند. این امر به بهبود مدیریت بیماری و کاهش نیاز به مراجعات مکرر کمک می‌کند.

۲- چه چالش‌های اصلی در توسعه بیوسنسورهای قابل‌کاشت برای پایش طولانی‌مدت وجود دارد و چگونه می‌توان بر آنها غلبه کرد؟

چالش‌های اصلی شامل زیست‌سازگاری مواد، تأمین انرژی طولانی‌مدت دستگاه و جلوگیری از ایجاد واکنش‌های التهابی در بدن است. استفاده از مواد زیست‌سازگار پیشرفته، سیستم‌های برداشت انرژی از بدن و پوشش‌های ضدالتهابی می‌تواند راهکارهایی برای این چالش‌ها باشد.

۳- بیوسنسورها در پزشکی چگونه می‌توانند در تشخیص زودهنگام سرطان، قبل از ظهور علائم بالینی، مؤثر باشند؟

بیوسنسورها با شناسایی نشانگرهای زیستی خاص سرطان در مراحل اولیه، حتی در غلظت‌های بسیار پایین، می‌توانند به تشخیص زودهنگام بیماری کمک کنند. این امر امکان شروع درمان در مراحل اولیه و افزایش شانس موفقیت درمان را فراهم می‌کند.

۴- نقش فناوری نانو در بهبود عملکرد و حساسیت بیوسنسورها در پزشکی چیست؟

فناوری نانو با ارائه نانومواد و نانوساختارها، سطح تماس بیوسنسور با آنالیت را افزایش می‌دهد و حساسیت و سرعت پاسخ آن را بهبود می‌بخشد. همچنین، نانوذرات می‌توانند به‌عنوان حامل برای تثبیت مولکول‌های زیستی و افزایش پایداری بیوسنسور عمل کنند.

۵- علاوه بر گلوکز، بیوسنسورها در پزشکی برای پایش چه مواد دیگری در بدن کاربرد دارند و چه مزایایی نسبت به روش‌های سنتی دارند؟

بیوسنسورها می‌توانند برای پایش طیف وسیعی از مواد از جمله کلسترول، اسید اوریک، لاکتات، یون‌ها و داروها در بدن استفاده شوند. مزایای آنها نسبت به روش‌های سنتی شامل سرعت بالا، دقت بیشتر، نیاز به نمونه کمتر و امکان پایش مداوم است.