مقدمة للمتحسسات الحيوية Biosensors 

تشكل المتحسسات الحيوية ( biosensors) احد المجالات المهمة والمتطورة لتقنيات الهندسة الحيوية (bioengineering) والالكترونيات الحيوية (bioelectronics) وقد اكتسبت تقنيات الهندسة الحيوية اهمية كبيرة منذ عام 1916 (جدول) واستقطبت جهود العلماء والباحثين منذ ذلك الوقت وتركز البحوث الحالية على مجالات متعددة كاستخدام اساليب متطورة لغرس المواد الفلزية والمعادن ضمن الجسم وخصوصاً في جراحة اعادة التكوين (reconstructive surgery) وتطوير شرايين صنعية (artificial artery) ومبحث جريان السوائل (Rheology) وغرس الاسنان وتكوين الاغشية للمتحسسات الحيوية والتوافق الحيوي (biocompatibility) للمواد المغروسة والمتحسسات الحيوية هي متحسسات الكترونية (Electronic sensors) تضم او تدغم معها مكونات او مواد حية ، وهناك انواع متعددة هذه المتحسسات تعرف بترنسزتور تأثير الحقل (Field Effect Transistors) (FETs) وهو الجيل الجديد من المتحسسات الحيوية المتطورة عن تلك التي كانت تعمل بصورة روتينية في اليابان منذ اوائل عقد الثمانينات في قياس معدلات النمو المايكروبي في المخمرات وتحوي متحسسات (FETs) على اغشية خاصة حساسة للشوارد (الايونات) والذرات المشحونة كتلك التي تعمل على تنظيم التوازن الكيميائي في الجسم البشري او تكون حساسة للجزيئات العضوية الكبيرة كالمتحسسات (ISFET) التي تقيس الجهد الكهربائي المتولد عن الشوارد ، اما النمط الاخر من المتحسسات والمعروف بالـ (Chern FET) فيعمل على رصد قياس طاقة التفاعلات في كافة الجزيئات المتفاعلة وتتكون هذه المتحسسات عادة من رقائق سلكونية (silicon chips) مطمورة في راتنج الايبوكسي (Epoxy Resin) ويحيط بالرقاقة سائل ملحي متحسس والذي يمكنه تأمين الاتصال الكهربائي مع سطح الرقاقة ومن ثم يتم تغليف الرقاقة والسائل المحيط بها بغشاء انتقائي متعدد الطبقات ذو ثقوب تسمح بنفاذ جزيئات ذات حجوم محددة وبذلك يمكن لهذه المتحسسات قياس الملوثات البيئية بدقة . وبحلول عام 1984 نجح العلماء في تصنيع رقاقات صغيرة الحجم بما يكفي للتموضع على قمة حقنة طبية او انبوب قسطرة دقيق لسبر الاوعية الدموية وترتبط هذه الرقاقات بأسلاك نحاسية دقيقة بجهاز للمراقبة ، كما وتطلع العلماء الى تطوير رقاقات قابلة للابتلاع من قبل المرضى المصابين بقرحة في الجهاز الهضمي ويمكن لهذه الرقاقات ان تتحسس للتغيرات في حموضة المعدة وتقوم ببث اشارات راديوية الى جهاز مستلم عن بعد (remote receiver) لهذه الاشارات يمكن وضعه على منضدة الطبيب المعالج وللمتحسسات الحيوية العديد من التطبيقات المهمة في الجوانب الطبية والصناعية كأدامة التوازن الالكتروليتي في جسم المرضى وفي قياس انتاج البنسلين في المخمرات وقياس ايونات البوتاسيوم والبروميد خلال تصنيع الافلام وكذلك في مراقبة التآكل المايكروبي والتردي الحيوي للانابيب الناقلة للنفط وفي الخزانات . واتجهت البحوث منذ عام 1993 نحو تحقيق اختراعات علمية كبرى كتطوير رقاقات مجهرية (microchips) مغطاة على الترتيب بقليلات نيوكليوتيدية . (oligonucleotides)

جدول : الاحداث التاريخية التي ساهمت في تطوير المتحسسات الحيوية

- 1916 اول تقرير علمي على تقييد immobilization البروتينات وهو ادمصاص انزيم الانفرتيز على فحم الشاركول charcoal .

- 1922 اول الكترود زجاجي لقياس الاس الهيدروجيني Ph

- 1956 اختراع الكترود الاوكسجين

- 1962 اول وصف للمتحسس الحيوي (الكترود لقياس الكلوكوز)

- 1969 اول متحسس حيوي (potentiometric) (انزيم اليوريز المقيد على الكترود الامونيا لتحديد اليوريا

- 1970 اختراع ترانزستور تأثير الحقل المنتخب للأيون  Ion - Selective Field - (ISFET) Effect Transistor

- 1972 اول متحسس حيوي تجاري (متحسس حيوي للكلوكوز)

- 1975

• —       أول متحسس حيوي مستند على المايكروب First microbe –based biosensor
• —       اول متحسس مناعي immunosensor (الالبومين على سلك بلاتيني)
• —       اختراع الـ Optode pCO₂ / pO₂

- 1976 اول بنكرياس صناعي يوضع الى جانب السرير

- 1980 اختراع اول متحسس للاس الهيدروجيني مستند على الالياف البصرية Fiber Optic pH sensor لقياس غازات الدم داخل الحي ( invivo )

- 1982 اول متحسس حيوي لقياس الكلوكوز مستند على الالياف البصرية

- 1983 اول متحسس مناعي يعتمد على تقنية (SPR) او رنين البلازما السطحية

- 1984 اول متحسس حيوي من النوع (Amperometric) حيث يستخدم الفيروسين ferrocene مع الكلوكوز اوكسيديز لتحديد الكلوكوز

- 1987 اطلاق مشروع medisense Exac Tech متحسس حيوي لقياس تركيز السكر بالدم

- 1990 اطلاق مشروع شركة pharmacia المعروف بالاسم Pharmacia BIA core SPR Biosensor system

- 1996 اطلاق جهاز Gluco card

- 1996 شركة Abbott تحصل على حقوق medisense مقابل 867 مليون دولار

- 1998 الاطلاق التجاري لجهاز او المتحسس الحيوي لقياس الكلوكوز في الدم Life Scan Fast blood Glucose Biosensor

- 1998 الاندماج بين شركتي Roche و Boechringer mannhiem وتكوين شركة باسم Roche Diagnostics

- 2001 شركة Life Scan تستثمر 1.3 مليار دولار في سوق المتحسسات الحيوية لتحديد الكلوكوز في الدم .

- 2001 – الوقت الحاضر : بحوث نظرية وتطبيقية مكثفة في مجالات التقنية الحيوية النانوية والاجسام النانوية والدقائق النانوية nanopariicales والاسلاك النانوية nanowires والانابيب النانوية nanotubes ووصمة الكم quantum dots والـ Biomems .

- 2003 بلغت حجم السوق للمتحسسات الحيوية 7.3 مليار (بليون) دولار

- 2007 بلغت حجم السوق للمتحسسات الحيوية 10.2 مليار (بليون) دولار مع زيادة سنوية 10.4 %

ذات تتابعات محددة وعلى مواقع موصوفة ومحددة تسمح بالتحديد الدقيق لتتابعات الدنا الهدف target DNA وعلى اساس التهجين بين هذا الدنا وبين المجسات والمسابير probes المحمولة على الرقاقة ويأمل العلماء في المستقبل القريب بتطوير انظمة خاصة لازدواج هذه المجسات مع متحسسات حيوية مصنوعة من الالياف الزجاجية Coupling    Oligonucleotides to a Fibreoptic Biosensor . مما يتيح امكانية التحليل الدقيق وبسرعة خارقة لمراحل واحداث التهجين ، ويتيح تطوير والمتحسسات الحيوية البصرية Optical Biosensor امكانية اجراء التقييم وتحليل التداخلات الحيوية مخباريا وتمكن العلماء فعلا من انتاج المتحسسات الحيوية البصرية ذات المرآة الرنانة Resonant Mirror Optical Biosenors والتي يعاد تكوين التداخلات بين الجزيئات الحيوية المتفاعلة على سطوحها وهي طريقة اكثر دقة من تلك الاساليب السابقة التي كانت تتضمن وسم الجزيئات الرابطة المشاركة والتي لا يمكنها قياس حركيات الارتباط والتفاعلات الكيميائية بدقة بسبب التداخلات المفروضة من قبل الواسم وعملية الوسم ذاتها .

ان التزاوج الناجح بين صناعة اشباه الموصلات وتقنيات الاحياء الجزيئي والهندسة الوراثية يمكن ان يوفر العديد من المزايا ومنها امكانية وضع الاف المورثات بل وحتى الموروث Genome الكلي على سطح رقاقة سليكونية واخضاع هذه الرقاقة لسلسة من المعاملات الكيميائية والضوئية وقصف المجسات قليلة النيوكليوتيدات مفردة الشريط (الشكل 1) المحمولة عليها بدنا DNA او رنا RNA موسوم بأثر تفلوري fluorescently - tagged DNA or RNA مريض او كائن حي اخر ويمكن قراءة النتائج من خلال جهاز ماسح scanner له القدرة على التقاط الاشارات الناتجة عن عملية التهجين ويمكن لتقنية الرقاقات الدنوية  DNA chips هذه ان تستخدم في تحديد الطفرات في المرضى وتحديد المورثات المسببة للامراض ومراقبة التعبير الجيني في خطوط الخلايا السرطانية البشرية ومنذ اواخر عام 1997 تعمل بعض الشركات كشركة هيولت باكارد Hwelett-Packard )) وشركة افيموتركس Affymetrix على تطوير رقاقات من هذا النوع واجهزة مسح لها القدرة على قراءة قرابة 400000 مجس لكل رقاقة . ان التطور العلمي الهائل في مجالات الالكترونيات الحيوية والمتحسسات الحيوية ادى الى انتاج ما يعرف برقاقات السرطان chip cancers وهي رقاقات سليكونية لها الفة عالية للارتباط تتابعات الدنا من عينات الدم للمرضى ويمكن من خلالها تحديد نمط الورم ويتوقع العلماء التوصل الى رقاقات سرطانية متعددة Multi Cancer Chips يمكن ان تحتوي بحدود 150000 قطعة مختلفة من الدنا ولها القدرة على تشخيص وتوصيف 20 مرضا سرطانيا من الامراض السرطانية الاكثر شيوعاً بحدود عام 2010 .

شكل (1) يوضح عملية التهجين التفلوري