الرقاقات البيولوجية: تحدث ثورة في علاج مرض السرطان

يحتفل العالم باليوم العالمي للسرطان في 4 فبراير من كل عام. وبهذه المناسبة، يتحدث يحيى إسماعيل، مدير مركز إلكترونيات وأجهزة النانو وأستاذ بقسم هندسة الإلكترونيات والاتصالات بالجامعة الأمريكية بالقاهرة، عن أبحاثه الرائدة حول الرقاقات البيولوجية حيث ابتكر تكنولوجيا متطورة لتشخيص مرض السرطان بشكل أكثر يسراً ودقة.

في البداية، نود أن نعرف ماهية الرقاقات البيولوجية؟

تعد الرقاقات البيولوجية رقاقات إلكترونية متطورة مزودة بوظائف خاصة للاستشعار والتأثير على الخلايا البيولوجية. هناك العديد من أنواع الرقاقات البيولوجية التي لا زالت في مرحلة التصنيع والتي تتضمن أنواع كثيرة من المجسات والمحركات. وعادة ما تكون هذه المجسات كيميائية، ويمكن أن تكون المحركات معقدة مثل مضخات وقنوات ميكانيكية بالغة الصغر  MEMs (نظم كهروميكانيكية صغرى  Microelectromechanical systems ) وذلك لنقل السوائل والخلايا. فبرغم الدقة البالغة لهذه النظم، إلا أنه يصعب تصنيعها بكميات كبيرة فضلاً عن كونها باهظة التكلفة بالنسبة إلى مشتريها.

ولذلك، يركز بحثنا على فئة فرعية من الرقاقات البيولوجية التي تعتمد على تكنولوجيا الإلكترونيات القياسية والعامة، وهي شبه موصل أكسيد الفلز المكمل  CMOS ( Complementary Metal Oxide Semiconductors ). تعد ميزة استخدام تكنولوجيا  CMOS  توافر الكثير من الأماكن المعتمدة حول العالم التي تصنع أية رقاقات بصورة سريعة ومضمونة ومنخفضة التكلفة وبأعداد هائلة. ولكن، يعد التحدي الماثل أمامنا عدم إمكانية تصنيع MEMs   من أجل نقل الخلايا والسوائل بتكنولوجيا  CMOS . ومن ثم، نحن نحاول استخدام وسائل مكتشفة حديثاً نسبياً من أجل استبدال MEMs  ، حيث يمكن نقل الخلايا عبر إضافة الإشارات الكهربائية إلى الأقطاب الكهربائية بدون أية أجزاء ميكانيكية. كما نعمل على استبدال المجسات الكيميائية بمجسات فيزيائية والتي يمكنها الكشف عن الخصائص الفيزيائية للخلايا.

كيف تسهم الرقاقات البيولوجية في تطور الأبحاث العلمية الخاصة بمرض السرطان، فضلاً عن تشخيصه وعلاجه؟

من المتوقع أن يتم استبدال وسائل التشخيص الطبي التقليدية بالرقاقات البيولوجية، على سبيل المثال، في الكشف عن مرض السرطان. فهي أسرع وأكثر توافراً وانخفاضاً في التكلفة، وبالتالي ستمكننا من الكشف عن مرض السرطان بشكل أكثر تطور، وهو الأمر الذي لم يكن ممكناً في الماضي. كما ستتيح أيضاً وسيلة الطب عن بعد  telemedicine  وهي تشخيص أو علاج المرضى عن بعد باستخدام هذه التكنولوجيا. ستحدث الرقاقات البيولوجية ثورة في الطرق التي يتم تشخيص مرض السرطان أو أمراض أخرى بها عبر تقديم علاج أسرع وأكثر فاعلية نتيجة للتشخيص المبكر والدقيق للمرض.

نحن نعمل على تصنيع رقاقات  CMOS  البيولوجية عبر إضافة الإشارات الكهربائية إلى الأقطاب الكهربائية الموجودة على الرقاقات لنقل عينة الخلايا. ومن خلال استشعار حركة الخلايا، يمكننا الاستدلال على بعض الخصائص الفيزيائية لها التي تختلف في حالة الخلايا الطبيعية والخلايا السرطانية، مما يتيح لنا الفرصة لاكتشاف وجود مرض السرطان.

كيف اكتُشف استخدام الرقاقات البيولوجية في تشخيص أمراض مثل السرطان؟

 تعتبر الرقاقات البيولوجية اتجاهاً جديداً وجزءً من طفرة تكنولوجية هائلة في العلوم حيث يتم دمج الإلكترونيات مع تكنولوجيات  أخرى داخل رقاقة واحدة بالغة الصغر وذلك لاستخدامها في نطاق واسع من المجالات، مثل الطب. في الماضي، كان مجالا الاتصالات والحوسبة يساهمان في تطور تكنولوجيا  CMOS  والرقائق البيولوجية، أما الآن، فقد أصبح الطب الحيوي هو القوة الدافعة الجديدة في تطور تكنولوجيا  CMOS  مؤدياً إلى ابتكارات مثل استخدام الرقائق البيولوجية في الكشف عن مرض السرطان.

ما هو مستقبل تكنولوجيا الرقائق البيولوجية؟ وهل هناك تطبيقات طبية أخرى؟

من المتوقع أن تتاح الرقائق البيولوجية في الصيدليات والمكاتب الطبية بتكلفة منخفضة في المستقبل، بالإضافة إلى قيامها بوظائف أكثر تعقيداً مثل تحليل الدم الشامل والكشف عن الكثير من الأمراض مثل الفيروسات وتحليل الحمض النووي.

سيكون هناك عالماً متصلاً من خلال الممارسات الطبية بداية من البحث والتطوير إلى إمكانية توافر أجهزة للكشف الطبي بالمنازل، وأخيراً، الحصول على العلاج من قبل مقدمي الخدمات الطبية. وسيكون لذلك دور مهم فيما يتعلق بالكشف عن مرض السرطان على وجه الخصوص، بالإضافة إلى إمكانية تطبيق ذلك في جميع المجالات أيضاً.

نبذه عن يحيى إسماعيل

قبل انضمامه للجامعة الأمريكية بالقاهرة، عمل إسماعيل كأستاذ بجامعة نورث ويسترن وحصل على جائزة  Best Teacher Award . كما كان رئيس تحرير دورية  Transaction on Very Large Scale Integration  الصادرة عن جمعية مهندسي الكهرباء والإلكترونيات   Institute of Electrical and Electronics Engineers . وكزميل بالجمعية، شغل إسماعيل منصب كبار العلماء مركز الإبداع التكنولوجي وريادة الأعمال التابع لوزارة الاتصالات وتكنولوجيا المعلومات في مصر. وقد نال إسماعيل العديد من الجوائز والتي تتضمن جائزة  U.S. National Science Foundation Career Award  وجائزة  IEEE Circuits and Systems Society Outstanding Author Award ، وقد قام بنشر 170 ورقة بحثية وثلاثة كتب.