پروتئین، DNA جهش‌یافته، RNA، لیپید، کربوهیدرات و مولکول‌های کوچک حاصل از متابولیسم سلولی باشند [15]. جدول 1-1 تعدادی از این بیومارکر‌ها را به عنوان نمونه نشان می‌دهد [14].
جدول 1-1 بیومارکرهای مورد استفاده در شناسایی سرطان‌های مختلف
بیومارکر
نوع سرطان
PSA, PSMA
پروستات
CEA, NSE
ریه
CA 19-9, BTA
پانکراس
NMP22, BTA
مثانه
CA 15-3, 27, 29, Her-2/neu
سینه
1-3-1- نانوسیم‌های سیلیکا
نانوسیم‌های سیلیکا، نانو ساختارهای یک بعدی‌اند که در دو بعد کمتر از صد نانومتر و در یک بعد بیشتر هستند [16]. این نانو ساختارها با استفاده از روش رشد بخار- مایع- جامد17 (VLS) سنتز می‌شوند و در سال‌های اخیر به علت داشتن خواص فیزیکی، نوری و الکترونیکی ویژه، فوتولومینسانس، نسبت سطح به حجم بالا و سازگاری زیستی، بسیار مورد توجه محققان قرار گرفتند. تصویر SEM نانوسیم‌های سیلیکا با قطر میانگین 200 نانومتر در شکل 1-1 آورده شده است [17].
شکل1-1 تصویر SEM نانو سیم‌های سیلیکا
برای شناسایی سرطان ریه با استفاده از نانوسیم‌های سیلیکا، ابتدا به منظور تولید گروه‌های NH2 آزاد، نانوسیم‌های سیلیکا با APTMS18 (3-آمینو‌پروپیل‌تری‌متوکسی‌سیلان) عامل‌دار شده و سپس آنتی‌بادی‌های گیرنده‌ی آنتی‌ژن‌های سرطانی خاص طبق شکل 1-2 بر سطح نانوسیم‌های سیلیکا تثبیت شده است.
شکل1-2 پروتکل استفاده شده در روش حاضر
جهت کنترل اتصال‌های غیراختصاصی، از پروتئین مسدود کننده استفاده شده است. آنتی‌ژن‌های سرطانی موجود در نمونه‌ی مورد نظر به آنتی‌بادی‌های موجود در سطح نانوسیم‌ها متصل شده، سپس آنتی‌بادی‌های آشکارساز که دارای آنزیم آلکالین فسفاتاز (AP) بودند به آنتی ژن‌های سرطانی متصل شده و این اتصال سبب شده است که تحت تاثیر آنزیم آلکالین فسفاتاز، پارا‌نیترو‌فنیل‌فسفات (PNPP) به پارانیتروفنول (PNP) تبدیل شود (شمای 1-1). پارانیتروفنول که ترکیبی الکتروفعال است، در واکنش‌های الکتروشیمیایی شرکت کرده و در نهایت با استفاده از تکنیک ولتامتری میزان آنتی‌ژن سرطانی موجود در نمونه مشخص شده است.
شمای1-1 تبدیل آنزیمی PNPP به PNP در حضور آنزیم آلکالین فسفاتاز
نمونه‌ای از ولتاموگرام‌های ثبت شده با استفاده از این روش در شکل 1-3 آورده شده است که در صورت عدم وجود آنتی ژن سرطانی هیچ پیکی در ولتاگرام مشاهده نشده است.
شکل1-3 ولتاگرام ثبت شده برای نمونه‌های بدون آنتی ژن سرطانی (قرمز) و دارای آنتی ژن سرطانی (سبز)
در این روش شناسایی، آنتی‌ژن‌های سرطانی IL-1019 و OPN20 به عنوان بیومارکر سرطان ریه مورد استفاده قرارگرفته‌اند و حد آشکارسازی روش برای نمونه‌های خالص ایده آل کمتر از fgml-1 1 و برای نمونه‌های کلینیکی pgml-1 1 تعیین شده است [18].
1-3-2- نانوذرات طلا
شناسایی سرطان ریه با استفاده از نانو ذرات طلا، طی چند مرحله صورت گرفته است. در مرحله‌ی اول هوای بازدم بیماران سرطانی جمع آوری شده و در مرحله‌ی دوم ترکیبات آلی فرار21 (VOCs) موجود در هوای بازدم بیماران سرطانی که به عنوان بیومارکرهای سرطان ریه در نظر گرفته شده بودند با استفاده از روش‌های خاصی شناسایی شده‌اند.
در مراحل بعد حسگرهایی بر پایه‌ی نانو ذرات طلا طراحی شده‌اند که در این حسگرها، نانو ذرات طلا با ضخامت پنج نانومتر به وسیله‌ی گروه‌های آلی مختلف از جمله دکان‌تیول، 1-بوتان‌تیول، 2-اتیل‌هگزان‌تیول، هگزان‌تیول، 2-مرکاپتوبنزاکسازول و … عامل‌دار شده‌اند و سپس نانو ذرات طلای عامل‌دار شده بر سطح الکترودهای ID قرار گرفته‌اند. در شکل1-4 تصویر این حسگرها آورده شده است که در آن تصویر TEM نانوذرات طلای عامل دار شده نشان داده شده است. نانوذرات طلا به صورت نقاط تاریک و گروه‌های آلی اطراف آن‌ها به صورت نقاط روشن ظاهر شده‌اند. نانوذرات فلزی سبب رسانایی الکتریکی می‌شوند و مولکول‌های آلی مکان‌هایی را برای جذب سطحی ترکیبات آلی فرار ایجاد می‌کنند [19].
شکل1-4 حسگرهای بر پایه‌ی نانوذرات طلا
در مراحل نهایی حسگرهای طراحی شده، در یک مدار و در داخل یک محفظه نصب شده‌اند که هوای بازدم به داخل این محفظه هدایت می‌شود، زمانی که حسگرها در معرض هوای بازدم قرار گرفته‌اند سبب تغییر برگشت‌پذیر مقاومت مدار شده‌اند. پاسخ حسگرها به نمونه‌های هوای بازدم بیماران سرطانی و افراد سالم با رسم نمودارهایی نشان داده شده، که نمونه‌ای از این نمودارها در شکل 1-5 آورده شده است. در این نمودارها میزان تغییر مقاومت برای نمونه‌های سالم و نمونه‌های سرطانی متفاوت بوده است که از این طریق شناسایی سرطان امکان‌پذیر می‌شود.
شکل 1-5 پاسخ حسگرهای دارای نانوذرات طلای عامل‌دار شده با 2-مرکاپتوبنزاکسازول (لوزی‌های قرمز) و ترشیو-دودکان‌تیول (مثلث‌های مشکی) را نشان می‌دهد که به محض قرارگیری در معرض نمونه‌های هوای بازدم بیماران سرطانی (اشکال توخالی) و افراد سالم (اشکال توپر) افزایش مقاومت نشان داده‌اند که میزان این افزایش مقاومت برای نمونه‌های سرطانی بیشتر بوده است. قابل ذکر است که بخش‌های خاکستری رنگ نمودار، قرار گرفتن حسگرها در خلاء و بخش‌های سبز رنگ قرار گرفتن حسگرها را در معرض نمونه‌ها نشان می‌دهد.
شکل1-5 پاسخ حسگرها به نمونه‌های سرطانی و سالم
از آنجایی که حساسیت حسگرها به بیومارکرهای سرطان ریه در حضور مولکول‌های آب خیلی به ندرت تحت تاثیر قرار می‌گیرد و هوای بازدم افراد دارای تقریبا %80 رطوبت نسبی است، حسگرها از کارایی خوبی برخوردارند. شکل1-6 در تایید این مطلب آورده شده است.
شکل1-6 پاسخ حسگرها به چهار تا از بیومارکرهای سرطان ریه در غلظت‌های مختلف و آب
حد آشکارسازی اکثر حسگرها در این روش در حدود ppb 5-1 تعیین شده است، برای مثال حد آشکارسازی حسگرهای دارای نانوذرات عامل‌دار شده با 2-مرکاپتوبنزاکسازول و 4-متوکسی‌تولوئن‌تیول در حدود ppb 10-2 بدست آمده است [20].
1-3-3- نانولوله‌های کربنی
نانولوله‌های کربنی که برای اولین بار در سال 1991 توسط ایجیما22 کشف شدند، از صفحات گرافن تشکیل شده‌اند که به شکل ساختار لوله‌ای یکپارچه در آمده است. نحوه تشکیل نانولوله‌های کربنی از صفحات گرافن در شکل 1-7 آورده شده است [21]. این نانولوله‌ها از لحاظ ساختاری به دو دسته طبقه‌بندی می‌شوند: نانولوله‌های کربنی تک دیواره23 (SWCNTs) و نانولوله‌های کربنی چند دیواره24 (MWCNTs). نانولوله‌های تک دیواره از یک صفحه‌ی گرافن لوله‌ای شکل و نانولوله‌های چند دیواره از چند صفحه‌ی گرافن لوله‌ای شکل به صورت هم مرکز تشکیل شده‌اند [22و 23]. شکل 1-8 ساختار نانولوله‌های تک دیواره و شکل 1-9 ساختار نانولوله‌های چند دیواره را نشان می‌دهد [24].
شکل1-7 نحوه تشکیل نانولوله‌های کربنی از صفحات گرافن
نانولوله‌های تک دیواره دارای قطر داخلی 2-1 نانومتر هستند و نانو لوله‌های چند دیواره با قطر داخلی 25-2 نانومتر، دارای فاصله بین لایه‌ای 36/0 نانومتر هستند. همچنین طول این نانوساختار‌های یک بعدی بین یک میکرومتر تا چند صد میکرومتر متفاوت است [25]. نانولوله‌های کربن دارای ویژگی‌های مهمی مانند مساحت سطح بالا، استحکام مکانیکی بالا، وزن کم، ثبات بالای حرارتی و شیمیایی، خواص الکترونیکی ویژه و … می‌باشند و در زمینه‌های بیولوژیکى و پزشکی کاربرد وسیعی دارند [26].
شکل1-8 نانولوله‌های کربنی تک دیواره (SWCNT)
شکل1-9 نانولوله‌های کربنی چند دیواره (MWCNT)
به منظور شناسایی سرطان ریه با استفاده از نانولوله‌های کربنی تک دیواره، نوعی حسگر زیستی طراحی شده است. ابتدا نانولوله‌های کربنی تک دیواره برای افزایش گزینش‌پذیری حسگر زیستی، با استفاده از یک ماده‌ی آلی غیرپلیمری پنتادکان (C15H32) یا تری‌کسان (C23H48) عامل‌دار شده‌اند (شکل 1-10). سپس این نانولوله‌های عامل‌دار شده مطابق قسمت b شکل 1-11 بر سطح الکترودهای ID قرار گرفته‌اند و الکترودهای ID به عنوان حسگر زیستی مطابق شکل 1-12 در دستگاه تست قرار داده شده‌اند.
شکل1-10 فرآیند عامل‌دار شدن نانولوله‌های کربنی تک دیواره
شکل1-11 .a تصویر SEM نانولوله‌های عامل‌دار شده، .bبرش عرضی الکترود ID
شکل1-12 طرح کلی از دستگاه تست
در این روش نیز ترکیبات آلی فرار (VOCs) موجود در هوای بازدم بیماران سرطانی به عنوان بیومارکرهای سرطان ریه در نظر گرفته شده‌اند و از آنجایی که نانولوله‌های کربنی از جذب سطحی بالایی برخوردارند ترکیبات آلی فرار (VOCs) موجود در هوای بازدم بیماران سرطانی را جذب کرده و سبب ایجاد تغییر مقاومت در سیستم شده‌اند. در این روش نیز مشابه روش قبل، پاسخ حسگرهای زیستی به نمونه‌های هوای بازدم بیماران سرطانی و افراد سالم به صورت نمودارهایی نشان داده شده است. در این نمودارها نیز میزان تغییر مقاومت برای نمونه‌های سالم و نمونه‌های سرطانی متفاوت بوده است که در نتیجه شناسایی سرطان ریه امکان‌پذیر می‌شود. همچنین قابل ذکر است که بررسی‌های انجام گرفته نشان داده‌اند که این حسگرهای زیستی برای ترکیب آلی فرار قطبی 1و2و4-تری‌‌متیل‌بنزن نسبت به ترکیب آلی فرار غیرقطبی دکان دارای حساسیت بیشتری هستند [27].
1-3-4- نقاط کوانتومی
نقاط کوانتومی نانوکریستال‌های نیمه هادی با قطر10-2 نانومتر هستند که بعد از تحریک از خود نور ساطع می‌کنند. این ساختارهای صفر بعدی به طور معمول از 100 تا 100000 اتم تشکیل شده‌اند [28و 29] و به دلیل ویژگی‌های نوری -فیزیکی منحصر به فردی که دارند در طول دو دهه‌ی گذشته توجه زیادی به خود جلب کرده‌اند. محدوده‌ی تحریک‌پذیری گسترده، طیف نشری با پهنای باریک و تنظیم پذیر از محدوده‌ی UV تا IR نزدیک، بازده کوانتومی فوتولومینسانس بالا (%85-60)، درخشندگی بالا و پایداری ویژه در برابر نور از جمله ویژگی‌های این نانو مواد است و سبب کاربرد گسترده‌‌ی آن‌ها در زمینه‌ی پزشکی شده است [30و 31].
برای شناسایی سرطان ریه با استفاده از نقاط کوانتومی، حسگر ECL25 جهت شناسایی آنتی‌ژن کارسینوژن جنینی26 (CEA) به عنوان بیومارکر سرطان ریه طراحی شده که برای این منظور ابتدا نانو کامپوزیت‌های Fe3O4/CdSe–CdS/APS سنتز شده‌اند، به این ترتیب که بر سطح نانو ذرات مغناطیسی Fe3O4، یک لایه‌ی پلی‌آلیل‌آمینوهیدروکلرید (PAH) و سپس نقاط کوانتومی CdSe–CdS قرار داده شده‌اند و در نهایت 3-آمینوپروپیل‌تری‌اتوکسی‌سیلان (APS) یک لایه بر سطح نانو ذرات Fe3O4/CdSe–CdS تشکیل داده است (شکل 1-13). APS به عنوان یک عامل موثر در اتصال به مولکول‌های زیستی است و نیز تثبیت نانو کامپوزیت‌ها را بر سطح الکترود تسهیل می‌کند.
شکل1-13 نحوه‌ی تشکیل نانو کامپوزیت‌های Fe3O4/CdSe–CdS/APS
در مرحله‌ی بعد نوعی الکترود مغناطیسی با تثبیت یک آهن‌ربا در داخل یک الکترود طلا طراحی شده است. نانو کامپوزیت‌های Fe3O4/CdSe–CdS/APS به وسیله‌ی نیروی جاذبه‌ی مغناطیسی بر سطح این الکترود تثبیت شده‌اند و سپس نانوذرات طلا بر روی الکترود انباشته شده‌اند. سرانجام پس از اتصال آنتی‌بادی‌های CEA به نانو ذرات طلا و قرار گرفتن الکترود در بافر فسفات حاوی K2S2O8، از آلبومین سرم گاوی27 (BSA) برای مسدود کردن تمام مکان‌های اتصال غیراختصاصی حسگر استفاده شد