כתמי קפה וזיקתם לגילוי מחלות

לתחום הביו-חישה נמצא לאחרונה שותף בלתי-צפוי בחיפוש אחר הגברת הרגישות: טבעות קפה. בפעם הבאה שאתם שופכים קפה על שולחן, צפו בכתם שנותר לאחר אידויו של הנוזל והבחינו שיש בו טבעת כהה יותר בהיקפו המכילה ריכוז גבוה יותר של חלקיקים בהשוואה לליבה.

מאחר ותופעת “טבעת קפה” זו מתרחשת עם נוזלים רבים לאחר אידוים, מדענים מציעים שטבעות כאלו יוכלו לשמש לבדיקת נוזל הדם או נוזלים אחרים כסמנים למחלות ע”י שימושן בהתקני ביו-חישה. אולם, כדי לפתח ביו-חיישנים מעשיים תידרש, כנראה, הבנה טובה יותר לגביי התנהגותן של טבעות אלו, הן ברמת המיקרו והן ברמת המאקרו.

“בהבנת התנועה של ננו- ומיקרו-חלקיקים בתוככי טיפות נוזל מתאדות טמונה יכולת רבה ליישומים טכנולוגיים אחדים, בכללן ננו-בנייה בהתגודדות עצמית, תבניות ליתוגרפיה, ציפוי חלקיקים ומיצוי והפרדה של ביו-תרכובות,” אמר החוקר Chih-Ming Ho, פרופסור בביה”ס להנדסה והמדעים היישומיים באוניברסיטת UCLA. “אולם, לפני שנוכל להכין התקני ביו-חישה ליישומים אלו, עלינו להבין מהם הגבולות הסופיים של תופעה זו. על-כן, המחקר שלנו נוטה לכימיה הפיסיקלית לשם מציאת הגבולות התחתונים של היווצרות טבעת קפה.”

קבוצת המחקר הצליחה למצוא עתה את הסף המיקרוסקופי המזערי הסופי של היווצרות טבעת-קפה, סף שיוכל לשמש לקביעת המדדים לפיתוח התקני ביו-חישה שיוכלו לשמש באיתור מחלות רבות, וכן לשימושים נוספים. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעיJournal of Physical Chemistry B.

“אם ניתן דעתנו לדם אנושי, או לרוק, נבין שיש בנוזלים אלו מספר רב של מיקרו- וננו-חלקיקים או חומרים האוצרים בתוכם מידע רפואי וביולוגי רב ביותר,” אמר אחד מהחוקרים. “אם תניח את נוזל הדם או הרוק הללו על משטח, ואז תייבש אותו, חלקיקים אלו יצטברו באזור קטן מאוד בטבעת היקפית. בעקבות כך, נוכל לכמת את ביו-הסמנים הללו באמצעות שיטות חישה מגוונות, אפילו אם החלקיקים זעירים ביותר וקיימים בריכוז נמוך מאוד בטיפה.”

כאשר מים מתנדפים מטיפה, החלקיקים המומסים במים נעים לעבר קצות הטיפה. ברגע שכל הנוזל מתאדה, החלקיקים מרוכזים בטבעת הנוצרת מסביב לכתם שנותר. אולם, אם הטיפה מספיק קטנה, המים יתנדפו מהר יותר מקצב תנועתם של החלקיקים. במקום הצטברות בטבעת, מתקבל ריכוז אחיד של החלקיקים בכתם, מאחר ולא היה להם מספיק זמן לנוע לקצוות בעודם בנוזל.

“זוהי התחרות שבין קצב אידוי הטיפה לבין קצב תנועת החלקיקים שקובעת את היווצרות טבעת הקפה,” מסביר החוקר הראשי.

בכדי לקבוע מהו הגודל המזערי ביותר האפשרי של טיפה, שעדיין יוביל להיווצרות טבעת קפה לאחר אידוי, צוות המחקר הכין משטח מיוחד שצופה בתבנית דמוית לוח-דמקה, שהכילה לסירוגין, חומר הידרופילי (“מושך מים”) וחומר הידרופובי (“דוחה מים”).

בשלב הבא החוקרים מיקמו חלקיקי שרף גומי (latex), המשתרעים בטווח גדלים שבין 100-20 ננומטרים, במים. גודל החלקיקים היה דומה לגודלם של חלבונים המשמשים כסמני-מחלות הניתנים לגילוי ע”י ביו-חיישנים.

בשלב הבא החוקרים שטפו את המשטח החדש עם המים מכילי החלקיקים. המים הנותרים ניצבו כטיפות במתחמים ההידרופיליים, בדומה לאבני דמקה על לוח המשחק. החוקרים חזרו שוב ושוב על ניסוי זה עם תבניות רשת קטנות יותר ויותר עד אשר לא ניתן היה לראות עוד את תופעת טבעת הקפה. עבור החלקיקים בעלי הגודל של מאה ננומטרים, סף זה נקבע לטיפות בעלות קוטר של כעשרה מיקרומטרים. בנקודה זו, המים התאדו לפני שהחלקיקים הספיקו לנוע להיקף.

“ידיעת הגודל המזערי של תופעה זו תוביל אותנו לפיתוח ביו-החיישנים הקטנים האפשריים ביותר,” אמר החוקר. “הדבר אומר כי נוכל לערום אלפים, אפילו מיליונים, של מיקרו-ביו-חיישנים זעירים על-גבי התקן הידוע כ”מעבדה על שבב”, ויאפשר לנו לבצע מספר רב של בדיקות רפואיות בשבב יחיד. הדבר יאפשר לאבחן מחלות רבות בבדיקה אחת.”

“קיים יתרון חשוב נוסף בשיטה שלנו – כל התהליך הזה הוא טבעי ביותר, זהו פשוט אידוי,” מציין החוקר. “אין לנו צורך להשתמש בציוד או בהתקנים נוספים, כגון מקור אנרגיה חשמלי או ציוד מתוחכם אחר להנעת החלקיקים. אידוי מספק דרך פשוטה מאוד לריכוז חלקיקים וטמונה בו היכולת לשמש באבחון רפואי. לדוגמא, קבוצת מדענים אחרת קיבלה מענק מחקר עבור הצעתה להשתמש בתופעת טבעת הקפה עבור גילוי מחלת המלריה במדינות מתפתחות.”

החוקרים מייעלים עתה את הגורמים להיווצרות הטבעת ובשלב הבא ייבחנו את היישום של גישה זו עבור פיתוח שיטות ביו-חישה חדשניות ויעילות יותר מאלו הקיימות היום.

הידיעה מהאוניברסיטה