מעבדה על שבב

מעבדה על שבב (Lab on chip או LOC) היא טכנולוגיה המאפשרת להעביר תהליך מעבדה או כמה תהליכי מעבדה לנפחים של ננו-ליטרים בודדים, על גבי שבב שגודלו נע ממילימטרים ועד למספר סנטימטרים רבועים. את השבב ניתן לייצר ממגוון רחב של חומרים, כגון פולימרים, זכוכית וצורן. המעבדה על השבב נמצאת בשימוש בטכניקות אנליטיות ויישומים ביו-רפואיים רבים, ביניהם- זיהוי פתוגנים, מבחנים כימיים ואנליזות של חלבונים וחומצות גרעין. "מעבדה על שבב" מאפשרת אנליזה של כמויות זעירות של נוזלים, המהווה יתרון במקרים שבהם ישנו קושי בהפקת נפחים גדולים של החומר הנבדק. המטרה בפיתוח מעבדה על השבב היא יצירת התקן שיהיה בעל מערכות חישה סלקטיביות ורגישות, קל לתפעול, זול, מהיר פעולה, נייד ובעל אמינות גבוהה. "מעבדה על שבב" משלבת בתוכה את תחום המיקרופלואידיקה ונכללת בקבוצת המשנה של התקני ה-MEMS (מערכות מיקרו אלקטרו מכניות) וכן NEMS (מערכות ננו אלקטרו מכניות). ניתן למצוא בספרות הקבלה בין המונח LOC לבין (Micro Total Analysis Systems) µTAS, כאשר µTAS הוא מונח רחב יותר, המתייחס לכלל תהליכי המעבדה (מחוץ לשבב ובתוכו) לצורך ביצוע אנליזה כימית. "מעבדה על שבב" היא אחת מהחלופות לניסויים בבעלי חיים. היכולת להפוך בהנדסה גנטית תאי סומטיים (לרוב מהעור) לתאי גזע ומשם לגדלם להיות תאים אחרים, מאפשרת ליצור מודלי מחלה על "מעבדה על שבב",ישירות מתרומה מאנשים שצריך לבחון את המחלה שלהם עצמם, וכן לבחון אפשרויות לריפוי. ה"מעבדה על שבב" הוא מכשיר ננוטכנולוגי, אשר התפתח מתחום המיקרוטכנולוגיה. תחום המיקרוטכנולוגיה הופיע לראשונה בשנות ה-60 עם שילובם של רכיבים מיקרו-אלקטרוניים, מוליכים למחצה (טרנזיסטור), על גבי שבב (הראשון היה הטרנזיסטור MOS). שבבים אלו יוצרו בטכנולוגיית הפוטוליתוגרפיה, המאפשרת הדפסת שכבות של מוליכים, מוליכים למחצה ומבודדים בסדרה של תהליכים כימיים עוקבים. שילובם של הטרנזיסטורים היווה בהמשך את הבסיס לטכנולוגיית ה- (Complementary Metal Oxide Semiconductor) CMOS, המשמשת ליצירת מעגלים משולבים. טכנולוגיה זו שולבה עם טכנולוגיית ה- (Micro Electro Mechanical System) MEMS, ליצירת מכונות מזעריות בגדלים של מיקרומטרים ספורים. טכנולוגיית ה-MEMS מיושמת כיום במגוון תחומים (פיזיקה, אופטיקה, אלקטרוניקה וביולוגיה) ובשילובן של טכניקות ייצור חדשניות. לדוגמה, טכניקת ה- Injection molding (עיצוב בהזרקה) לצורך בניית התקן MEMS מפולימרים. בשנות ה-80 החל להתפתח תחום העוסק בנפחים זעירים של נוזלים זעירים, הנקרא מיקרופלואידיקה (Microfluidics). תחום זה יכול להיות מיושם בשבבים, כגון ביו-סנסורים המיועדים לזיהוי חומר ביולוגי מסוים (נוגדן, אנזים, רקמה ומיקרואורגניזם). "מעבדה על שבב" הופיעה לראשונה בשנת 1979, עם המצאתו של S.C. Terry מאוניברסיטת סטנפורד, שהציג יישום של כרומטוגרפיית גז על גבי משטח קטן בגודל של מספר סנטימטרים רבועים בלבד. עם זאת, רק בתחילת שנות ה-90 נצפתה התקדמות ראשונה בתחום, עם המצאת המיקרו-משאבות, המיקרו-סנסורים ושילובן של שיטות מיקרופלואידיות לצורך אנליזות מחקר. ניתן היה לראות כי עם הזמן, תהליכים ואנליזות על גבי שבב נזדקקו לפחות ופחות הכנות מקדימות (שבוצעו בדרך כלל בקנה מידה מעבדתי) והמושג "מעבדה על שבב" קיבל את משמעותו המלאה. אחת הפריצות הגדולות הגיעה מתחום הגנומיקה, והיא מערכי DNA שהוצגו לראשונה בשנת 1995. שבבים אלו משמשים לאיתור חומצות גרעין (לרוב mRNA) לצורך סריקת גנים. "מעבדה על שבב" עדיין מוגדר כתחום חדש ומתפתח. יישומן של "מעבדות על שבב" הופך למקובל ושכיח בנושאים כגון אבחון רפואי, אנליזות כימיות-פרמצבטיות ושימוש אקולוגי (לצורך ניטור סביבתי). ניתן לצפות כי עם התקדמות הננוטכנולוגיה, אנליזות בקנה מידה קטן יותר downscaling יאפשרו מחקר ושילובם טכניקות שונות על גבי פלטפורמה אחת. קיימים טכנולוגיות וחומרי יצור רבים ל"מעבדה על שבב". שלוש מערכות בולטות בתחום הן הסיליקון, הפולימרים והזכוכית. מערכת הסיליקון המתבססת על טכנולוגיית הייצור של המוליכים למחצה והמעגלים המשולבים. המערכת מאופיינת במוליכות החשמלית שלה והמגוון הרחב של הטכניקות שפותחו עבורה. מערכת נוספת היא הפולימרים כאשר הפולימר הנפוץ בשימוש בתחום זה הוא ה- PDMS, אלסטומר שקוף וביוקומפטבילי. ניתן להשתמש בפולימר להכנת מכשיר "מעבדה על שבב" משולב, כאשר בחלק התחתון הפולימר ובחלק העליון שכבה של סיליקון או חומר אחר שעבר תהליך ליתוגרפיה רכה (ליתוגרפיה על גבי חומר אלסטומרי, בדרך כלל מסוג פולימר). מערכות הפולימרים מאפשרות איכות אופטית גבוהה ובנוסף מוזילות משמעותית את תהליך הייצור. אחד החלוצים החשובים בתחום הוא הפרופסור לכימיה מאוניברסיטת הרווארד ג'ורג' ווייטסיידס (George M. Whiteside). דוגמה נוספת היא מערכת הזכוכית, המקנה תכונות תרמיות ואופטיות טובות ובנוסף מאפשרת מגוון שימושים בזכות הידע הנרחב שקיים לגבי האינטראקציות הביוכימיות הידועות עמה. עם זאת, בשל הקושי לעצב את הזכוכית כפי רצוננו למערכת זו מגבלה טכנית מסוימת. חוקרים רבים מאמינים כי הטכנולוגיה של "המעבדה על שבב" תהווה חלק חשוב במאמץ לשיפור מערכת הבריאות העולמית, בעיקר בפיתוח של מכשירי דיאגנוסטיקה. אותם מכשירים יהיו זמינים בקרבתו של המטופל, מה שיאפשר אבחון וטיפול מהירים יותר. במדינות שבהן קיים מחסור במערכת בריאות מבוססת, מחלות הניתנות בדרך כלל לטיפול, מהוות בתנאים אלו סכנת מוות ממשית. גם אם קיימות באזורים אלו מרפאות שמצוידות בתרופות, הן לרוב חסרות את הכלים הדיאגנוסטיים עבור אבחון המחלה הספציפית. "מעבדה על שבב" תאפשר פתרון מתאים לבעיות אלו. דוגמאות לשימושים: HIV- ישנם יותר מ 40 מיליון נשאי HIV החיים בעולם כיום, כאשר רק כ- 1.4 מיליון מתוכם מקבלים את הטיפול הנאות. קיים פיתוח של אב טיפוס המבוסס על נוגדנים חד-שבטיים עבור תאי T מסוג CD4+, הנפגעים בעת ההדבקה ב-HIV וכמותם מהווה מדד טוב לאבחון ומעקב אחר התפשטות הנגיף. דגימות הדם עוברות הדגרה למשך 8 דקות עם נוגדנים הקשור אליהם חומר פלואורסצנטי (Alexa Fluor-488-conjugated anti-CD4 antibodies) ומוזרמות אל תוך שבב המכיל קרומי סינון עם נקבוביות בגדלים שונים ועל ידי כך מתאפשרת הפרדה של דגימת הדם המוכנסת לשבב, לתאי דם אדומים ולתאי דם לבנים. בעזרת מערכת הדמיה דיגיטלית ניתן לזהות ולכמת את האיתות הפלואורסצנטי מתאי ה- CD4+ ישירות על גבי השבב. יש צורך במחקר נוסף על מנת להביא שבב זה לכדי שימוש אך ישנן תוצאות מבטיחות. בדיקות דם לזיהוי זיהומים פתוגנים - קיים פיתוח של "מעבדה על שבב" אשר תזהה מספר של פתוגנים הגורמים למחלות אקוטיות נפוצות בעלות אותם התסמינים. האבחון נעשה על ידי שבב מיקרופלואידי חד פעמי המכיל חומרים יבשים ויציבים בפני חום ומכשיר רב-פעמי נייד המפעיל את השבב ושולט בטמפרטורה שלו. אופן השימוש הוא כזה שבו המשתמש יכניס דגימת צואה אל השבב. ל"מעבדה על שבב" זו ארבע פעולות: לכידה ו ליזיס של אורגניזמים מצואה גולמית, לכידה של חומצות גרעין, הגברה של כמות חומצות הגרעין על ידי PCR ולבסוף הצגה ויזואלית של תוצרי ההגברה של חומצות הגרעין. התהליך האבחון ייקח כמחצית השעה והעלות המשוערת היא בין 1 ל-5 דולר לשבב חד פעמי. בדיקות דם למדידת מדדים חיוניים - לדוגמה, גלוקוז או פקטורי קרישה. היתרון שמעניקה ה"מעבדה על שבב" במזעור שיטות מעבדתיות הוא היכולת לבצע אנליזה מלאה ממספר טיפות דם בודדות. דוגמה לפיתוח שכזה הוא (Lateral Flow Test) LAT המבוסס על העברה פסיבית של נוזל הדם בכוח הנימיות - השבב מכיל נוגדנים המצומדים לננו-חלקיקים או לאנזימים מיוחדים הנותנים צבע פלואורסצנטי. אותם נוגדנים יקשרו את האנטיגן ויעברו אל אזור הזיהוי המכיל נוגדים אחרים המזהים את האנטיגן- מתקבל תצמיד של נוגדן-אנטיגן-נוגדן פלואורסצנטי. השבב נקרא על ידי מכשיר נייד הנותן ערך כמותי בהתאם לרמת האות הפלואורסצנטי הנפלט. ל"מעבדה על שבב" ישנן אפליקציות בתחום המחקר. כיום במעבדות מחקר הפועלות בתחומים שונים קיימים מכשירי אנליזה רבים בהם משתמשים חוקרים לצורך עבודתם. מכשירי אנליזה אלו לרוב יקרים מאוד, מצריכים תחזוקה שוטפת רבה, מיומנות. בנוסף, לרוב אין אפשרות לניוד המכשור מחוץ לתחומי המעבדה. "מעבדה על שבב" תאפשר שילוב מספר טכניקות אנליזה לפלטפורמה אחת ובכך תקל, תוזיל ותאפשר גמישות בעבודת החוקר. דוגמאות לשימושים: שבב לביצוע הפרדות שונות של דנ"א וחלבונים באמצעות זרם חשמלי. היתרון בשיטת הפרדה זו הוא האפשרות של זיהוי וכימות התוצאות על ידי בליעה אופטית או פלואורסצנציה, כך שלאחר ההפרדה, הדוגמה עוברת בגלאי אופטי. ישנם פיתוחים בתחום זה המשלבים גם טכנולוגיית ה-Mass spectrometry המאפשרת זיהוי של החלבון לאחר הפרדתו. שבב להגברה (שכפול) של דנ"א באמצעות שיטת PCR על גבי השבב. שבב המשמש לספירה, הפרדה וזיהוי אוכלוסיות של תאים בשיטת Flow cytometry. גילוי תרופות – טכנולוגיית המיקרופלואידיקה ב"מעבדה על שבב" מאפשרת לסרוק במהירות חומרים עם פוטנציאל תרפויטי. בעזרת השבב ניתן לבדוק את יעילות חומרים אלו ורעילותם לתאים חיים. "מעבדה על שבב" נמצאת בשימוש ובפיתוח גם בסוכנות החלל האמריקאית (NASA) לצורכי מחקר שונים. בעזרת טכנולוגיה זו חוקרים מייצרים שבבים המסוגלים לסרוק דנ"א ומולקולות אורגניות שונות במטרה למצוא עדויות על חיים בחלל. שבבים אלו נלקחים לתחנות החלל והבדיקות עצמן מתבצעות שם ללא צורך בהבאת הדגימות בחזרה לכדור הארץ. "מעבדה על שבב" כוללת מערכות לניטור סביבתי כמו מערכות המשמשות למדידת זיהומים כגון זיהוי של מתכות כבדות המסכנות את בריאות הציבור. לתחומים אלו של איתור זיהומים סביבתיים חשיבות מכרעת לניידות הציוד ומידיות קבלת התוצאות, שכן זמן העברת הדגימות אל המעבדה פוגע באיכותן ומאריך משמעותית את זמן התגובה למפגע, שלעיתים משמעותו פגיעה בחיי אדם. יתרונות המעבדה על שבב הם: שימוש בכמויות זעירות של דוגמאות וריאגנטים. הקטנת כמויות הפסולת הנוצרת. זמן אנליזה יותר מהיר, עקב עלייה ביחס שטח נפח הנובעת מהמזעור. הקטנת טעויות אנוש עקב הפחתה בצורך בהכנות מקדימות של הדוגמאות לפני הרצתם. הוזלת עלויות של מכשור מעבדתי. טכנולוגיה זו מאפשרת ייצור תעשייתי המוזיל את עלויות היצור. מזעור מכשירים, כך שישנה אפשרות להכניס יותר מכשור במעבדה אחת וגם לביצוע יותר ניסויים בו זמנית. אין צורך בהכשרה מיוחדת לצורך שימוש במכשיר, בניגוד לציוד המעבדתי הקיים. ניוד ציוד לשטח המחקר. קידום רעיון הרפואה המותאמת אישית Personalized medicine. ה"מעבדה על שבב" מאפשרת נגישות וזמינות למכשור מעבדתי לצורך אבחון וטיפול ממוקד ומהיר. חסרונות המעבדה על שבב הם: זמן פיתוח ארוך ויקר. רוב המכשירים נבדקו רק על דוגמאות פשוטות ולא מורכבות. טכנולוגיה עדיין חדשה ולא מספיק מפותחת. לעיתים רמת הדיוק המושגת אינה משתווה לציוד קונבנציונלי. ההשפעה של האינטראקציות הכימיות והפיזיקליות בנפחים קטנים גדלה משמעותית ומקשה על התהליכים המתרחשים בשבב. לעיתים בתהליך הנעשה בנפחים קטנים היחס בין האות לרעש קטן מאשר בנפחים גדולים. ננו רפואה ביו-שבב איבר על שבב מיקרו מערכי חלבון NEMS מדיה וקבצים בנושא מעבדה על שבב בוויקישיתוף Keith E. Herold and Avraham Rasooly. Lab-on-a-Chip Technology : Fabrication and Microfluidics. Caister Academic Press, 2009. Kovarik ML, Gach PC, Ornoff DM, Wang Y, Balowski J, Farrag L, Allbritton NL. Micro total analysis systems for cell biology and biochemical assays.Anal Chem, 2012. https://sagol.tau.ac.il/research/brain-on-a-chip בשורה חדשה בתחום חקר המוח: מוח אנושי על שבב S.C.Terry,J.H.Jerman and J.B.Angell:A Gas Chromatographic Air Analyzer Fabricated on a Silicon Wafer.IEEE Trans.Electron Devices,ED-26,12 (1979)1880-1886. Daniel Figeys and Devanand Pinto. Lab-on-a-Chip: A Revolution in Biological and Medical Sciences. Anal Chem, 2000. DOI: 10.1021/ac002800y. Shalon D, Smith SJ, Brown PO . A DNA microarray system for analyzing complex DNA samples using two-color fluorescent probe hybridization. Genome Res 6 (7): 639–645. DOI:10.1101/gr.6.7.639. Keith E. Herold and Avraham Rasooly. Lab-on-a-Chip Technology (Vol. 2): Biomolecular Separation and Analysis. Caister Academic Press. August 2009. Anderson, Janelle R., et al. "Fabrication of microfluidic systems in poly (dimethylsiloxane)." Electrophoresis 21.1 (2000): 27-40. Joint United Nations Programme on HIV/AIDS, World Health Organization (2004 December) AIDS epidemic update: 2004. http://whqlibdoc.who.int/unaids/2004/9291733903. William R. Rodriguez, Nicolaos Christodoulides, Pierre N. Floriano, Susan Graham, Sanghamitra Mohanty, Meredith Dixon, Mina Hsiang, Trevor Peter, Shabnam Zavahir, Ibou Thior, Dwight Romanovicz, Bruce Bernard, Adrian P. Goodey, Bruce D.Walker, John T. McDevitt. A Microchip CD4 Counting Method for HIV Monitoring in Resource-Poor Settings. PLoS Medicine. July 19th, 2005. DOI:10.1371/journal.pmed.0020182 Paul Yager, Thayne Edwards, Elain Fu, Kristen Helton, Kjell Nelson, Milton R. Tam & Bernhard H. Weigl. Microfluidic diagnostic technologies for global public health. Nature. July 27th, 2006. DOI:10.1038/nature05064. Daniel Mark, Stefan Haeberle, Gunter Roth, Felix von Stetten and Roland Zengerle. Microfluidic lab-on-a-chip platforms: requirements, characteristics and applications. The Royal Society of Chemistry. January 25th ,2010. DOI: 10.1039/b820557b. Hongying Zhu, Sam Mavandadi, Ahmet F. Coskun, Oguzhan Yaglidere, Aydogan Ozcan. Optofluidic Fluorescent Imaging Cytometry on a Cell Phone. Anal. Chem., 2011. DOI: 10.1021/ac201587a. Petra S, Dittrich & Andreas Manz. Lab-on-a-chip: microfluidics in drug discovery. Nature Reviews Drug Discovery, 2006. DOI:10.1038/nrd1985. http://www.nasa.com Am Jang, Zhiwei Zou, Kang Kug Lee, Chong H Ahn, Paul L Bishop. State-of-the-art lab chip sensors for environmental water monitoring. Meas. Sci. Technol, 2011. DOI:10.1088/0957-0233/22/3/032001.