MoO₂-Coated Photonic Crystal Fiber Biosensor for High-Sensitivity Detection of Cancer Cells

لا يزال السرطان يمثل أحد أكثر التحديات جسامة أمام صحة الإنسان، مما يتطلب طرق كشف ليست دقيقة فحسب، بل قادرة أيضًا على تحديد المرض في مراحله المبكرة الأكثر قابلية للعلاج. غالبًا ما تعاني النهج التقليدية، مثل فحوصات الدم أو صور الأشعة، في رصد هذه العلامات المبكرة أو تتطلب إجراءات جراحية قد يصعب القيام بها بشكل متكرر. واستجابة لذلك، وجه العلماء اهتمامهم إلى التقنيات القائمة على الضوء، وتحديدًا مجال يُعرف باسم الاستشعار بالألياف الضوئية. تستخدم هذه الأنظمة خيوطًا رفيعة من الزجاج لنقل الضوء، والتي يمكنها التفاعل مع العينات البيولوجية للكشف عن خصائصها. وهناك نسخة متطورة للغاية من هذه التقنية تستخدم ألياف البلورات الفوتونية، وهي ليست صلبة مثل خيوط الزجاج القياسية، بل هي مهيكلة بأنماط متكررة وصغيرة من الثقوب الهوائية. تتيح هذه البنية الفريدة توجيه الضوء بطرق محددة للغاية، مما يخلق بيئة حساسة حيث يمكن اكتشاف حتى أصغر التغييرات في مادة قريبة. وعند دمج ذلك مع ظاهرة تُسمى "رنين البلازمون السطحي" — وهي عملية تنتقل فيها طاقة الضوء إلى الإلكترونات على سطح معدني لإنشاء تفاعل عالي الحساسية — تصبح هذه الألياف أدوات قوية لرصد الاختلافات الدقيقة بين الخلايا السليمة والخلايا السرطانية.

وبناءً على هذا الأساس، اقترح فريق من الباحثين من جامعة شانشي داتونغ ومعهد شينجيانغ للهندسة تصميم مستشعر جديد يهدف إلى تحسين دقة واستقرار عمليات الكشف هذه. فبدلاً من استخدام أفلام الذهب أو الفضة التقليدية الشائعة في مثل هذه الأجهزة، قام الفريق بطلاء ليفهم بطبقة من ثاني أكسيد الموليبدينوم. وقد اختيرت هذه المادة لأنها تقاوم التحلل أو التفاعل مع البيئة بشكل أفضل بكثير من الذهب أو الفضة، مما يضمن بقاء المستشعر موثوقًا بمرور الوقت. أنشأ الباحثون ليفًا ذا جانب مصقول ومسطح تم تطبيق الطلاء عليه، مما خلق مقطعًا عرضيًا على شكل حرف (D) يسمح للضوء داخل الليف بالتفاعل مباشرة مع الطلاء وأي عينة سائلة توضع ضده. ومن خلال الضبط الدقيق لحجم وموضع الثقوب الهوائية داخل الليف وسُمك طبقة ثاني أكسيد الموليبدينوم، قام الفريق بمحاكاة كيفية أداء الجهاز في سيناريو واقعي. وأظهرت حساباتهم أن هذا الترتيب المحدد يخلق تفاعلاً قويًا بين الضوء والسطح، مما يجعل المستشعر حساسًا للغاية للتغيرات في معامل الانكسار، وهي خاصية تختلف بين أنواع الخلايا المختلفة.

وكشفت عمليات المحاكاة أن المستشعر يمكنه التمييز بين ستة أنواع متميزة من الخلايا السرطانية بدقة ملحوحة. وشمل ذلك الخلايا القاعدية، وخلا cells HeLa المعروفة بالسرطان العنقي، وخلايا لوكيميا تسمى Jurkat، وخلايا PC-12، وخلايا سرطان الثدي ثلاثية السلبية المعروفة باسم MDA-MB-231، ونوع آخر من خلايا سرطان الثدي يسمى MCF-7. وقد أظهر الجهاز حساسية قصوى بلغت 17,295.78 نانومتر لكل وحدة معامل انكسار، وهو رقم يشير إلى مدى تغير سلوك الضوء عند مواجهته لنوع مختلف من الخلايا. ويسمح هذا المستوى من الحساسية للمستشعر باكتشاف الاختلافات الدقيقة التي قد تغفل عنها الطرق الأخرى. علاوة على ذلك، أظهرت الدراسة أن المستشعرات يمكنها حل هذه الاختلافات بدقة تتراوح بين 5.97 إلى 6.39 جزء من المليون من وحدة معامل الانكسار. ووجد الباحثون أن سمك طبقة ثاني أكسيد الموليبدينوم لعب دورًا حاسمًا؛ حيث حقق الطلاء الرقيق بسُمك 25 نانومتر أعلى حساسية، بينما قللت الطبقات الأكثر سمكًا من قدرة الجهاز على الكشف. وبالمثل، تم تعديل موضع الثقوب الهوائية بالنسبة لقلب الليف لضمان بقاء الضوء مركزًا في منطقة الاستشعار، مما يعظم التفاعل مع العينة.

وعلى الرغم من أن النتائج مستمدة من محاكاة حاسوبية وليس من تجارب فيزيائية مع مرضى أحياء، إلا أن البيانات تشير إلى مسار واضح لهذا التطور التكنولوجي. وتوضح الدراسة أنه باستخدام ثاني أكسيد الموليبدينوم، من الممكن إنشاء مستشعر حيوي ليس فقط عالي الحساسية، بل أكثر متانة أيضًا من الخيارات الحالية. إن القدرة على التمييز بين أنواع متعددة من الخلايا السرطانية في إعداد واحد تشير إلى مستقبل يمكن فيه أن يكون الفحص المبكر أسرع وأكثر سهولة في الوصول إليه. ويخلص الباحثون إلى أن هذا التصميم يحمل وعودًا كبيرة للتطبيقات في التحليل الحيوي والتشخيص السريري، مما يوفر أداة جديدة محتملة لتحديد السرطان مبكرًا. ومن خلال تحسين المعايرات الهيكلية لليف وخصائص الطلاء، يمكن أن يؤدي هذا النهج في النهاية إلى ابتكار أجهزة تساعد الأطباء في تحديد طبيعة الورم بسرعة ودقة أكبر، مما يحسن في نهاية المطاف فرص العلاج الناجح.