حسگر نانویی «سیدنی»؛ جهشی در تشخیص دوپامین و پژوهش‌های مغزی

چالش‌های پیشین در سنجش دوپامین

پژوهشگران در سال‌های اخیر موفق به کشت نورون‌ها در آزمایشگاه و ساخت ارگانوئیدهای مغزی شده‌اند که شباهت زیادی به بافت واقعی مغز دارند. اما پرسش اساسی این بود که آیا این نورون‌های آزمایشگاهی واقعاً دوپامین را به مقادیر فیزیولوژیک آزاد می‌کنند؟

• محدودیت روش‌های رایج: روش‌هایی مانند رنگ‌آمیزی پروتئینی یا بررسی میکروسکوپی تنها ساختار را نشان می‌دهند، نه عملکرد واقعی را.
• نیاز به تخریب سلول: روش‌هایی نظیر کروماتوگرافی مایع و آزمون‌های ایمنی آنزیمی، با وجود توانایی اندازه‌گیری دوپامین، نیازمند تخریب سلول‌ها، حجم بالای نمونه و صرف زمان طولانی هستند و امکان پایش لحظه‌ای را فراهم نمی‌کنند.
• مداخلات ژنتیکی: روش‌های نوری مبتنی بر کاوشگرهای فلورسنت نیازمند دست‌کاری ژنتیکی یا برچسب‌گذاری شیمیایی هستند که می‌تواند رفتار طبیعی سلول را تغییر دهد.

به همین دلیل، تاکنون ابزاری ساده، تکرارپذیر و غیرتخریبی برای سنجش بلوغ عملکردی نورون‌های مشتق از سلول‌های بنیادی در دسترس نبود.

ظهور حسگر الکتروشیمیایی «سیدنی»

دوپامین به دلیل ماهیت الکتروفعال خود، در واکنش‌های انتقال الکترون شرکت کرده و جریان الکتریکی قابل اندازه‌گیری تولید می‌کند. با این حال، حسگرهای الکتروشیمیایی موجود با دو چالش اساسی روبه‌رو بودند: ناتوانی در تشخیص غلظت‌های بسیار پایین دوپامین و تداخل مولکول‌های مشابه.

اکنون، تیمی از پژوهشگران عمدتاً در دانشگاه سونگ‌کیون‌کوان کره‌جنوبی، پلتفرم الکترودی جدیدی به نام «سیدنی» (SIDNEY) را طراحی کرده‌اند. این نام مخفف «پلتفرم هوشمند بین‌سطحی برای حسگری دوپامین در نورون‌ها و فیزیولوژی ارگانوئیدها» است. نتایج این پژوهش در نشریه معتبر Advanced Functional Materials منتشر شده است و نخستین نمونه از آشکارسازی الکتروشیمیایی لحظه‌ای دوپامین از ارگانوئیدهای زنده میان‌مغز را به نمایش می‌گذارد.

ساختار و عملکرد نانوحسگر «سیدنی»

نانوحسگر «سیدنی» از سه جزء اصلی در مقیاس نانو تشکیل شده است:

• نانوستون‌های طلایی عمودی: لایه پایه شامل نانوستون‌هایی با ارتفاع حدود ۳۰۰ نانومتر است که با روش لیتوگرافی تداخل لیزری ساخته شده‌اند و سطح مؤثر الکترود را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند.
• نانوذرات طلایی کوچک‌تر: نانوذراتی با قطر حدود ۳۸ نانومتر بر روی نانوستون‌ها نشانده شده‌اند تا انتقال الکترون در واکنش اکسایش دوپامین را تسریع کنند.
• لایه اکسید گرافن: کل ساختار با لایه‌ای نازک از اکسید گرافن پوشانده شده است که گزینش‌پذیری حسگر را افزایش می‌دهد. حلقه‌های آروماتیک آن مولکول‌های مزاحم را دور کرده، در حالی که گروه‌های کربوکسیل با بار منفی، دوپامین را جذب می‌کنند.

دقت و کارایی بی‌سابقه

آزمایش‌ها نشان‌دهنده عملکرد فوق‌العاده «سیدنی» است:

• حساسیت بالا: این حسگر قادر به تشخیص دوپامین تا حد ۲۹.۵ نانومولار در محلول بافر استاندارد و ۷.۵۱ نانومولار در مایع مغزی-نخاعی مصنوعی است.
• تداخل ناچیز: تداخل مولکول‌هایی مانند سروتونین و نوراپی‌نفرین تنها ۳.۳۳ درصد گزارش شد که در مقایسه با الکترودهای معمولی (۲۱ تا ۴۷ درصد) بسیار ناچیز است.
• پایش سامانه‌های زیستی پیچیده: «سیدنی» کارایی خود را در رده‌های سلولی عصبی، نورون‌های مشتق از سلول‌های بنیادی انسانی و ارگانوئیدهای میان‌مغز به اثبات رسانده است. ارگانوئیدهای بالغ ۹۵ روزه، به‌طور میانگین غلظتی در حدود ۹.۱۶ نانومولار دوپامین آزاد می‌کنند.

آینده‌ای روشن برای پژوهش‌های مغزی

برتری بزرگ این فناوری در مقایسه با روش‌های متداول، سرعت، دقت و غیرتخریبی بودن آن است. این سامانه در کمتر از یک دقیقه و با حجم نمونه‌ای در حد میکرولیتر، داده‌های قابل اعتماد ارائه می‌دهد و نمونه زنده را برای اندازه‌گیری‌های بعدی حفظ می‌کند. این قابلیت، امکان پایش رشد و بلوغ عملکردی یک ارگانوئید واحد را در طول زمان فراهم می‌سازد و می‌تواند تحول بزرگی در مدل‌سازی بیماری‌ها و آزمون داروها ایجاد کند.