Mikroorganizmaların Tespitinde Mikroakışkan Çipler

  • 93

   Mikroorganizma, büyük bir canlı topluluğunun genel adıdır. Bakteriler, mantarlar, protozoalar ve daha birçok tür ekosistemde kritik rolleri olan mikroorganizmalar olarak kabul edilmektedir. Ancak patojen mikroorganizmalar hem canlılara hem de ekonomiye zarar verebiliyor. Patojenler hava, vücut sıvısı, yiyecek, su ve diğer taşıma yolları ile bir yerden diğerine yayılabilir. Bu nedenle patojenleri hızlı ve doğru bir şekilde tespit etmek ve tanımlamak son derece önemlidir. Bugüne kadar bunları tespit etmek için çeşitli immünolojik ve moleküler tanı yöntemleri geliştirilmiştir. [1].

   Bu teknikler farklı çalışma alanlarında kullanılsa da çoğu pahalı ve zaman alan yöntemlerdir. Ayrıca bazıları kompleks numunelerde doğruluğu azaltan düşük duyarlılık ve özgüllüğe sahiptir. Bu noktada çip sistemleri son yıllara doğru mikroorganizmaların tespiti için umut verici platformlar haline gelmiştir.

Neden Çip Sistemleri?

   Yukarıdaki bölümde bahsedildiği gibi, mikroorganizmaları tespit etmek için kullanılan mevcut tekniklerin bazılarının bazı dezavantajları vardır. Örneğin, bir kütle spektrometrisi yöntemi kullanılarak, yalnızca çok yüksek konsantrasyonlarda bulunan saflaştırılmış bakteri örnekleri tanımlanabilir [1]. Diğer bir örnek, bakteri tespiti için altın standart olarak kabul edilen yarı kantitatif plaka kültürü yöntemidir. Klinik örneklerden patojen mikroorganizmaların saptanması ve tanımlanmasında çok tercih edilmesine rağmen bu yöntem oldukça zaman alıcıdır. Genel olarak kültürleme, özellikle kültürü zor olan patojenler için 3-4 gün sürer. Ayrıca bakterileri tür düzeyinde başarılı bir şekilde ayırt edemez [1].

   Ayrıca PCR’da en güçlü tekniklerden biridir, fakat dezavantajları da vardır. PCR yönteminde, hızlı ısıtma/soğutma sıcaklık döngülerini sağlamak için termokupllara ihtiyaç vardır [2]. Bu gereksinim sistem maliyetini artırır. Ayrıca qPCR yöntemi ile canlı/ölü hücre ayrımı yapılamaz. Lab-on-a-Chip teknolojisi bu noktada, bu tür sorunların üstesinden gelme potansiyeline sahiptir. Mikroakışkan çip, mikro litre ve daha küçük hacimli sıvıların mikro ölçekli kanallarda kontrol edilmesini ve hareket ettirilmesini sağlayan bir sistemdir. Çip teknolojisinin avantajları, klinik veya endüstriyel düzeyde veya merkezi laboratuvarlardan uzak uygulama alanında patojen mikroorganizmaları tespit etmek için bu sistemlerle çalışmayı oldukça çekici kılmaktadır. Bu platformlar üzerinde yapılan çalışmalar küçük bir numune kullanılarak yüksek verimle gerçekleştirilmektedir. Bu özellik çip sistemini diğer tekniklere göre daha esnek ve ucuz kılmaktadır. Kolay standardizasyon, otomasyon ve kontrol süreçleri sayesinde; işin tekrarlanabilirliği yüksektir. Ek olarak, platformların entegrasyonu, çip sistemlerinin diğer tekniklerle birleştirilmesini sağlar. Bu sayede minyatür ve taşınabilir cihazlar elde edilebilir. Bu nedenle mikroorganizma tespiti yerinde ve eş zamanlı olarak gerçekleştirilebilir. Bu özellik, salgınlara ve ölümlere neden olan patojenler için oldukça önemlidir. Bugüne kadar çip sistemleri ile birlikte kullanılan tespit yöntemlerinin performansının arttığı gözlemlenmiştir.

Mikrokanalları Sensörlerle Birleştirme

   Şimdiye kadar, optik ve elektrokimyasal dedektörler, kütle spektrometrisi ve nükleer manyetik rezonans gibi çeşitli teknikler, çip üzerinde laboratuvar cihazlarıyla birleştirilmiştir [3]. Optik ve elektrokimyasal dedektörler, kemilüminesans, floresan, dinamik ışık saçılımı, lenssiz hologramlar vb. hassasiyetlerinden dolayı çip sistemleri ile kullanılmak üzere daha yaygın olarak tercih edilmektedir. CL yöntemini kullanan çalışmalarda, inaktive enzimli çip platformları, patojenik mikroorganizmaları yakalamak için antikor veya nükleik asit kullanıldı [4]. Mikroorganizmaları tespit etmek ve tanımlamak için çipler üzerinde PCR yöntemi de gerçekleştirilir. Reaksiyon koşulları dikkatlice kontrol edilerek çalışmalar yapılmıştır. PCR ve RT-PCR teknikleri kullanılarak, korunan DNA veya RNA dizilerinin analizi patojenleri tespit etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır [1]. PCR işleminde denatürasyon, bağlanma ve uzama aşamalarının gerçekleştiği belirli sıcaklıklar vardır. Sonuç olarak, bu süreçteki en önemli parametre, hedef nükleik asit dizisi için sıcaklık ve primer seçimidir. Tespit reaksiyonunu gerçekleştirmek için temel primerler, tamponlar, enzimler ve diğer PCR reaktifleri mikro kanala verilir. Bu düşük hacimli sistem teorik olarak immunoassay testlerinden daha hassastır. Ayrıca uygun donanıma sahip masaüstü PCR cihazlarına göre daha portatiftir. PCR çipleri kullanılarak, düşük konsantrasyonda influenza A [5] içeren bir klinik numunede saptama başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. MALDI-TOF MS yönteminde biyomoleküller ve büyük organik moleküller iyonize edilir. Ve sonra protein profilleri, elektrik veya manyetik alanlar aracılığıyla çıkarılır. Profil spektrumlarının grafik görüntüleri, sistemin veri tabanındaki referans organizma ile karşılaştırılır. Uyumlarına göre mikroorganizmalar cins ve tür bazında tanımlanır. Çip sistemlerini kütle spektrometrisi ile birleştirmenin MS tabanlı yaklaşımların performansını iyileştirdiği gözlemlenmiştir [6]. Bir çalışmada ise havada büyük miktarda bulunan bakterilerin tespiti için bir çip geliştirilmiştir [7]. Sıvı kromatografi ve kütle spektrometrisi kullanılarak çipte toplanan örneklerden Vibrio parahaemolyticus, Listeria monocytogenes ve Escherichia coli tanımlanmıştır [7].

Uygulama alanları

   Son zamanlarda gıda kontrolü, çevresel izleme ve çeşitli klinik uygulamalarda çip tabanlı mikroorganizma tespit sistemleri kullanılmaktadır. Gıda güvenliği, insan ve hayvan sağlığı için ciddi ve küresel bir sorundur. Gıdalardaki patojenler çeşitli salgın salgınlara ve ölümlere neden olmaktadır. HPLC, GC, ELISA ve PCR, olmazsa olmaz olarak patojenlerin saptanmasında en çok tercih edilen yöntemlerdir. Bu yöntemler yüksek hassasiyete sahip olmasına rağmen, çoğu zaman alıcı ve pahalıdır ve ayrıca yetenekli teknisyenlere ihtiyaç vardır. Numuneler kontrol için alındıktan sonra analiz laboratuvarına gönderilir. Burada, sonuçların alınması birkaç saat ile birkaç gün arasında değişmektedir. Bu nedenle kontrollerin yerinde ve zamanında yapılması mümkün değildir. Öte yandan, çip üzerinde laboratuvar sistemleri minyatürleştirilip otomatikleştirilebildiğinden, algılama için güçlü bir potansiyele sahiptir. Ayrıca hızlı ve hassastırlar. Tasarlanan çip sistemleri ile çiftliklerde, paketleme ve dağıtım lokasyonlarında ve işletme tesislerinde algılama yapılabilmektedir. Ayrıca, bu çip sistemlerini kullanan tüketiciler tarafından patojenleri tespit etmek mümkün olabilir. Mikroorganizmaların gelişmiş çevresel izlemesi için çip sistemlerinin kullanımı da oldukça umut vericidir. Örneğin havadaki biyoaerosoller, mantarlar, bakteriler ve virüsler gibi mikroorganizmaları içerir. Bu biyoaerosollere maruz kalma immünolojik, bulaşıcı ve toksik akciğer hastalıklarına neden olabilir. Bu nedenle, salgın hastalıklara karşı gerekli önlemlerin alınması için çevresel örneklerde mikroorganizmaların tespiti ve tanımlanması gerekmektedir. Son zamanlarda, havadaki patojenik mikroorganizmaları yakalamak ve tanımlamak için çip sistemleri kullanılarak yeni bir çalışma yapılmıştır [8]. Bu çalışmada, yakalama çipi, tespit çipi ile birleştirilmiştir. Yakalama çipinde yaklaşık 9 dakikada %100 yakalama verimliliği elde edildi. Ardından immünofloresan analizine dayalı olarak saptama yapıldı [8]. Gıda ve çevre analizlerinin yanı sıra klinik çalışmalar için çip sistemleri ile yapılan çalışmalar da mevcuttur. Bir çalışmada, bağırsak ve ishal hastalıklarındaki patojenleri tespit etmek için çip üzerinde laboratuvar platformu tasarlanmıştır. Bu patojenler beş yaşın altındaki çocuklarda ölüme neden olur. Tasarlanan platform, herhangi bir örnek hazırlamaya gerek kalmadan direkt kullanılarak hızlı ve hassas immünolojik testler yapabilmektedir. Bir çalışma sonucunda, sadece 20 dakikada 6 μL numune ile dört bakteriyel patojenin eş zamanlı tespiti gerçekleştirilmiştir [9].

Sonuç

   Günümüzde çeşitli mikroakışkan çipler, bakteri ve mantar gibi mikroorganizmaları tespit etmek için tasarlanmıştır. Son yıllarda bu amaçla farklı çalışmalar yapılmaktadır. Yine de mikroorganizmaların tespiti için çip teknolojisi yeni ve büyüyen bir alandır. Avantajları nedeniyle çip sistemleri mikroorganizmaları tespit etmek için çok uygun platformlar olarak görünmektedir. Özellikle dünya nüfusu her geçen gün arttıkça patojen mikroorganizmaların varlığı daha tehlikeli hale gelmektedir. Günümüzde teknolojinin hızla geliştiği ve buna paralel olarak nesnelerin interneti sayesinde veri aktarım süresi kısalmaktadır. Bu nedenle gıdalardan klinik örneklere kadar mikroorganizmaların kısa sürede tespiti çalışanlar, tüketiciler ve hastalar için büyük avantaj sağlamaktadır. Günümüzde giderek büyüyen bir alan olmasına rağmen, mikroorganizma tespitinde çip sistemlerinin kullanımının oldukça yaygın olacağını söylemek mümkündür.

Kaynaklar:

[1] Zhang D., et.al. (2018), doi: 10.1021/acs.analchem.8b00399
[2] Huang G., et.al. (2017), doi: 10.1038/s41598-017-06739-2
[3] Mairhofer J., et.al. (2008), 10.3390/s90604804
[4] Yakovleva J., et.al. (2002), doi: 10.1021/ac015645b
[5] Cao Q., et.al. (2013), doi: 10.3791/50325
[6] Feng X., et.al. (2015), doi: 10.1002/mas.21417
[7] Bian X., et.al. (2016), doi: 10.1021/acs.analchem.6b02708
[8] Jing W., et.al. (2013), doi: 10.1021/ac400590c
[9] Phaneuf C.R., et.al. (2016), 10.3390/bios6040049

---

Contact us for detailed pricing of
Microfluidic Lab-on-a-Chips

GET A QUOTE