ایده ای در رده اول جهانی: رایانه ای مبتنی بر سلول؛ برای مبارزه با سرطان  

دکتر روزبه عابدینی نسب

عضو هیات علمی گروه مهندسی پزشکی، دانشگاه نیشابور

پس از آنکه در دانشگاههای داخل کشور در رشته مهندسی برق در مقاطع کارشناسی و کارشناسی ارشد تحصیل کردم، علاقمند به ادامه تحصیل در مقطع دکتری شدم. پس از بررسی های بسیار و برقراری ارتباط با اساتید مختلف، تصمیم به کار با شخصی متخصص در زمینه پلاسما پروسسینگ شدم. او استاد دانشگاهی در آمریکا بود، اما وقتی با او تماس گرفتم گفت که پیشنهاد پشتیبانی مالی مناسبی از یکی از دانشگاههای خوب کشور چین دریافت کرده و قصد دارد برای مدتی در آن کشور کار کند. پس از بررسی مدارک من اعلام کرد حاضر است من را به عنوان دانشجوی دکتری خود قبول کند، اما برای این کار من باید به چین بروم و در آنجا تحصیلاتم را ادامه دهم. دانشگاه مورد نظر دوره دکتری مشترکی بین آن دانشگاه از کشور چین و دانشگاه میشیگان کشور آمریکا ارائه می داد. من قبل از آن، جهت بازدید از کارخانه هایی، به چین سفر کرده بودم. می دانستم که چین یکی از قدرتهای اقتصادی دنیا با رشدی بسیار سریع است و ارتباط با کارخانه ها در آن کشور می تواند باعث ایجاد دیدی بسیار خوب و تجربه ای عالی شود. این وجود شناخت از کشور چین به من در تصمیم گیری کمک بسیاری کرد. از نظر مالی هم دولت شانگهای از من پشتیبانی می کرد و هزینه تحصیل و زندگی ام را پرداخت می کرد. در نتیجه پس از جمع بندی تصمیم گرفتم به این  پیشنهاد پاسخ مثبت داده و راهی چین شوم.

به این ترتیب تحصیل در مقطع دکتری رشته برق را در آن دانشگاه آغاز کردم. با آنکه تفاوتهای فرهنگی، مدلهای متفاوت غذاها، زبان و … کار را مشکل می کرد، اما در طول مدتی که در کشور چین بودم تجربه بسیار خوبی کسب کردم. مطابق برنامه قبلی ارتباط خوبی با کارخانه های مختلف و صاحبین صنایع در کشور چین برقرار کردم و پس از بازدید از کارخانه ها ایده های مختلفی به آنها ارائه دادم. دانشگاههای این کشور نیز بسیار پیشرفته و دارای امکانات تحصیلی و پژوهشی خوبی می باشند و این باعث پیشرفت سریع من شد. تعداد بسیاری از استادان دانشکده مورد نظر یا چینی های تحصیل کرده دانشگاههای برتر دنیا بوده و یا استادان برگزیده ای می باشند که از اروپا و آمریکا دعوت شده اند.

در کنار تحصیل در رشته برق، مطالعه های مختلفی در سایر رشته ها و گرایشها هم انجام می دادم و یکی از آنها دانش بایولوژی و پزشکی بود. در این مطالعات متوجه شدم که دانشمندان اخیرا علاقمند به بررسی بیماریهای مختلف در سطح سلولی شده اند و عقیده دارند این مطالعه باید بر روی تک تک سلولها به صورت مجزا اتفاق بیفتد. در بیماری هایی مانند سرطان، سلولهای نادری وجود دارند که اتفاقا این سلولهای نادر بسیار مهم بوده و تعیین کننده سرنوشت بیمار می باشند. اما عملکرد این سلولها در روشهای سنتی که کل سلولها به صورت یکجا مورد آزمایش قرار می گیرند قابل مشاهده و اندازه گیری نیست. به همین دلیل دانشمندان به سمت مطالعه تک سلولها روی آورده اند.

اما من به عنوان یک مهندس، مشاهده کردم که دستگاهها و تجهیزات آزمایشگاهی پزشکی که دانشمندان برای مطالعه سلولها به کار می برند مناسب این نوع آزمایشها نمی باشند. در دستگاههای رایج، آنها کنترل مناسبی بر روی سلولها ندارند. در اکثر آزمایشها سلولها به صورت تصادفی حرکت داده می شوند و آنهایی که در مکان مناسب بر روی تراشه و یا ظروف آزمایش قرار می گیرند مورد مطالعه قرار می گیرند و در این پروسه تعداد زیادی سلول، بدون اینکه مطالعه شوند، از بین می روند. این روند برای آزمایشهایی که در آنها به دنبال سلولهای خاص و نادری می گردیم مناسب به نظر نمی رسد.

این روند کار در تجهیزات آنالیز سلولی در حالی اتفاق می افتد که در مهندسی الکترونیک، با تعریف المانهای مداری مختلف مانند مقاومتها، خازنها، ترانزیستورها و … کنترل دقیقی بر روی جریانهای الکتریکی وجود دارد. این کنترل در ادوات کوانتومی مانند ترانزیستورهای تک الکترونی به سطح الکترون هم می رسد. در آن زمان این ایده به ذهن من رسید که آیا نمی توان مدارهایی جدید طراحی کرد که در آنها به جای الکترونها سلولها را حرکت دهیم؟ در صورت مثبت بودن پاسخ این سوال، می توان دستگاهی مبتنی بر این مدارها طراحی کرد که بتواند کنترل دقیقی بر روی سلولها به کاربر ارائه دهد.

به منظور مطالعه دقیقتر این ایده و انجام آزمایشهای اولیه طرح به مدت یک ماه در آزمایشگاهی در کره جنوبی مشغول شدم. در این مدت با تکنیکهای مختلفی آشنا شدم و در پروژه ای مشترک اولین مقاله خود را به صورت مشترک با آنها در نشریه فوق معتبر Nature Communications به چاپ رساندم. این شروعی عالی در دنیای پژوهش در لبه دانش برای من محسوب می شد. پژوهش در خط تقاطع مهندسی و بایولوژی. جایی که ایده های مهندسی را به کمک دانش زیست و پزشکی می بردیم.

اما این کار باید در سطحی بالاتر انجام می شد. من نیاز به صحبت با نفرات اول این رشته در دنیا داشتم. نیاز بود دانش خود در زمینه پزشکی را در محیطی آکادمیک افزایش دهم و از دانشمندان این رشته ها نکات مهمی بیاموزم. به همین منظور جهت تحصیل در رشته دکتری مکانیک (بیو مکانیک) به کشور آمریکا و دانشگاه دوک رفتم. این دانشگاه را به این منظور انتخاب کردم که یکی از بهترین دانشگاههای دنیا است. به علاوه، در رشته مهندسی پزشکی بسیار زبانزد است. و نکته مهم دیگر اینکه در این دانشگاه متخصصین رشته های مهندسی و پزشکی همه در ساختمانهایی بسیار نزدیک جمع شده اند و این انجام کار میان رشته ای در سطح اول جهانی را ممکن می سازد.

در طول مدت دکتری من موفق شدم ایده مدارهای زیستی خود را پیاده سازی کنم. این تراشه به متخصصین امکان مطالعه سلولها به صورت تکی را می دهد. آنها می توانند اثر یک سلول بر روی سلولی دیگر و یا اثر دارو های مختلف بر روی تک سلولها را مطالعه کنند. با استفاده از نیروهای مغناطیسی دقیق توانستم سلولها را به صورت مجزا و کنترل شده حرکت دهم. مدار زیستی که ساختم مشابه حافظه های موجود در رایانه ها است و تنها تفاوت موجود این است که در این مدارات سلولهای زنده به جای الکترونها حرکت می کنند: رایانه ای مبتنی بر سلول. این سلولها در حافظه ها ذخیره می شوند و در زمان لازم مورد مطالعه قرار می گیرند و اطلاعات ژنتیکی آنها استخراج و مورد آنالیز و مطالعه قرار می گیرند. شرایط محیطی موجود بر روی تراشه را شبیه شرایط موجود در بدن طراحی کردیم به طوری که سلول احساس کند در بدن است و عملکرد عادی از خود نشان دهد. تصویر قسمتی از این تراشه در زیر میکروسکوپ در شکل نمایش داده شده است.

شکل: مدار زیستی جهت آنالیز سلولها به صورت تکی

در طراحی و ساخت این تراشه ها از علوم و تکنیکهای مختلفی در زمینه های مهندسی برق، رایانه، مکانیک، مهندسی پزشکی، شیمی، بایو و نانوتکنولوژی استفاده شد و من سعی کردم در تمام این زمینه ها خود دست به کار شده و اطلاعات لازم را از متخصصین و دانشمندان آن رشته ها کسب کنم. این ماهیت میان رشته ای بودن پروژه کار را کمی سخت کرد، اما باعث شد من در زمینه های مختلف اطلاعات و مهارتهای ارزشمندی پیدا کنم که از نتایج این پروژه محسوب می شوند.

برای دوره پسا دکتری مشاورانم به من پیشنهاد دادند در دانشگاهی دیگر کار کنم. دلیل این امر این بود که بتوانم به خود و سایرین اثبات کنم که می توانم در محیطی دیگر نیز فعالیت کنم. به همین دلیل برای این دوره دانشکده مهندسی پزشکی دانشگاه کرنل را انتخاب کردم. این دانشگاه نیز از دانشگاههای معتبر دنیا محسوب می شود و کار در آن من را با جنبه های دیگری پژوهشی آشنا کرد. در این دوره بیشتر از قبل با دانشجویان مقاطع مختلف کار کردم و علاوه بر کار فردی، نحوه کار گروهی و آشنا سازی دانشجویان با پژوهش و کار علمی را فرا گرفتم. در این دوره نیز زمینه پژوهشی همان آنالیز تک سلولی بود، با این تفاوت که بیشتر به بکار گیری فناوری در آنالیز سلولی پرداختم.

در حال حاضر گروههای علمی مختلفی در دنیا در زمینه آنالیز تک سلولها فعالیت می کنند و دستاوردهای آنها در مجلات علمی معتبر گوناگون قابل دسترسی است. طراحی دستگاههای مورد استفاده در این علم بخشی از این دانش محسوب می شود و استفاده از فناوریهای بدست آمده به منظور مطالعه سلولها بخش دیگری از آن است که بیشتر توسط بایولوژیستها، مهندسان پزشکی و پزشکان انجام می شود. بکار گیری این تکنولوژی در داخل کشور می تواند به آینده پزشکی کشور و بی نیازی در این زمینه کمک شایانی نماید.