Çin'de devrim niteliğinde buluş: Bir damla kanla kanser teşhisi yapan avuç içi cihaz

Çin'in Hangzhou kentinde bulunan Westlake Üniversitesi Mühendislik Fakültesi'nden Doç. Dr. Wen Liaoyong ve ekibi, sadece bir damla kan kullanarak erken evre kanser teşhisi yapabilen taşınabilir bir tıbbi cihaz geliştirdi. Geçmişte devasa boyutlardaki laboratuvar ekipmanlarına ihtiyaç duyan kanser biyobelirteç tespit sistemini avuç içine sığacak büyüklüğe sıkıştıran ekip, cihazın doğrusal hassasiyetini ise geleneksel yöntemlerin yaklaşık 10 bin katına çıkardı. Bilim dünyasında büyük yankı uyandıran bu araştırma, 13 Mayıs'ta prestijli bilimsel dergi Nature Photonics'te yayımlandı.

Eski bir Connecticut Üniversitesi araştırmacısı olan ve 2019 yılında Westlake Üniversitesi'ne katılan Dr. Wen Liaoyong, bu çalışmanın klinik ortamların yanı sıra uzaktan erişimli bölgelerde ve evde bakım senaryolarında minyatürleştirilmiş, yüksek performanslı teşhisler için ölçeklenebilir ve sağlam bir nanofotonik biyosensör paradigması kurduğunu belirtti. Çok bileşenli nanoyapılı malzemeler ve bunların çok fonksiyonlu uygulamaları üzerine yoğunlaşan ekip, geliştirdikleri teknolojiyle modern tıp dünyasında dijital ve akıllı dönüşümü tetiklemeyi hedefliyor.

BUZDOLABI BÜYÜKLÜĞÜNDEKİ SİSTEM NASIL AVUÇ İÇİNE SIĞDIRILDI?

Kan plazmasındaki kanser biyobelirteçlerini tespit etmek için kullanılan geleneksel ekipmanlar; prizmalar, spektrometreler ve son derece karmaşık optik yollar gerektirdiğinden genellikle çift kapılı bir buzdolabı boyutunda üretiliyor. Bu devasa boyutları nedeniyle söz konusu cihazlar yalnızca tam teşekküllü laboratuvarlar veya uzmanlaşmış test merkezleriyle sınırlı kalıyor.

Dr. Wen ve ekibi ise bu engeli aşmak için "Q-modüleli refraktometrik algılama" adı verilen alternatif bir mekanizma geliştirdi. Işığın dalga boyunu ölçen geleneksel spektroskopinin aksine, bu yeni mekanizma doğrudan ışık yoğunluğunu ölçüyor. Sistem, biyobelirteçler mevcut olduğunda ışığın numune içinden geçerken bükülme şeklindeki (kırılma indisindeki) mikrometrik değişimleri bile yakalayabiliyor. Bilim insanları bunu başarmak için, ışığı doğal malzemelerin yapamayacağı şekillerde manipüle edebilen yapay yüzeylere sahip meta-malzemelerden 3 boyutlu bir çip tasarladı.

ÇİP ÜRETİMİNDE 'MATBAA' ÇAĞI: MALİYET 5 DOLARA DÜŞTÜ

Bu çalışma, ekibin geçen yıl Nature Materials dergisinde yayımlanan ve nanodan makroya kadar tüm ölçek aralığında yüksek hassasiyetli üretim için alüminyum kullandıkları bulgularına dayanıyor. Metayüzeylere dayalı geleneksel optik çipler, elektron ışın litografisi kullanılarak her seferinde tek bir çizgiyle "yazılıyor". Bir kitabı kelime kelime elle kopyalamaya benzeyen bu geleneksel yöntem, seri üretimi imkansız kıldığı gibi çip başına maliyeti de yüzlerce ABD dolarına çıkarıyordu.

Wen’in ekibi, çip imalatını adeta "kitap kopyalama" döneminden "hareketli matbaa baskı" dönemine taşıdı. Önce bir ana kalıp versiyon oluşturan ve ardından bunu seri üreten ekip, sekiz inçlik bir plaka (wafer) üzerine tek seferde binlerce yüksek tutarlılığa sahip çip basmayı başardı. Böylece çip başına üretim maliyeti sadece 5 dolara kadar geriledi. Yeni mekanizma sadece ışık yoğunluğunu ölçtüğü için, tüm tespit sistemi son derece sade bir yapıya kavuştu; cihaz artık sadece bir 3D BIC sensör çipi, bir LED ışık kaynağı ve bir fotodedektörden oluşuyor.

AKCİĞER KANSERİ TESTLERİNDE YÜZDE 94.9 DOĞRULUK ORANI

Montajı tamamlandığında ev ortamında bile rahatça kullanılabilecek kadar kompakt hale gelen cihazın klinik yeteneklerini kanıtlamak için ekip, Xiamen Üniversitesi ile ortak bir çalışma yürüttü. Sistem, akciğer kanseriyle ilişkili küçük hücre dışı keseciklerin (sEV'ler) tespit edilmesinde test edildi. Likit biyopsilerde çok önemli biyobelirteçler olan bu kesecikler, erken evre hastaların kanında son derece düşük seviyelerde bulunduğundan geleneksel yöntemlerle neredeyse hiç tespit edilemiyordu.

Geliştirilen el tipi cihaz, bu erken evre akciğer kanseri biyobelirteçlerini saptamada standart tıbbi test yöntemi olan Elisa'ya (enzyme-linked immunosorbent assay) kıyasla tam 10 bin kat daha hassas olduğunu kanıtladı. Akciğer kanseri hastalarından alınan 171 klinik serum numunesi üzerinde yapılan testlerde cihaz; erken evre akciğer kanseri teşhisinde %94.9, ameliyat sonrası hasta takibinde ise %92.1 oranında yüksek bir doğruluk başarısı gösterdi. Aynı numunelerde geleneksel Elisa yöntemi ise yalnızca %74.7 doğruluk oranında kaldı. Araştırma raporuna göre, bu taşınabilir platformun gelecekte tümör taramalarının da ötesinde çok daha geniş bir tıbbi yelpazede tanı amaçlı kullanılabileceği öngörülüyor.