DNA microarray

Microarray : One Chip One Genome
เรียบเรียงโดย ศิรินันท์ สุวรรณโมลี

ถึงแม้ว่าเซลล์ทุกเซลล์ในร่างกายมนุษย์จะมีข้อมูลทางพันธุกรรมที่เหมือนกัน เราจะเห็นว่าเซลล์ในส่วนต่างๆ ของร่างกายที่มีความแตกต่างกันนั้นจะมีการแสดงออกที่ต่างกัน ทั้งนี้เนื่องจากยีนที่มีอยู่มากมายในเซลล์แต่ละชนิด ทำงานในตำแหน่งที่ต่างกัน ตัวอย่างเช่น ยีนที่ผลิตเอนไซม์สำหรับใช้ในการกำจัดสารพิษจะทำงานมากในตับ แต่ไม่ทำงานเลยในเซลล์ที่สร้างกระดูก การที่จะศึกษาว่ายีนใดที่ทำงานต่างกันในเซลล์ตับและเซลล์กระดูก เหมือนเป็นเรื่องยาก แต่ในปัจจุบันสามารถทำได้ง่ายขึ้นด้วยเทคโนโลยี DNA microarray (หรือ DNA chips)
บทนำ เป็นที่เชื่อกันโดยทั่วไปว่ายีนนับพันและผลิตภัณฑ์จากยีนเช่น อาร์เอ็นเอและโปรตีน ที่อยู่ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตนั้นเป็นแหล่งที่เก็บความลับของชีวิตเอาไว้ เทคโนโลยี DNA microarray ถือเป็นเทคโนโลยีที่น่าจับตามองอย่างยิ่งเพราะเทคโนโลยีล่าสุดนี้สามารถผลิตสามารถบรรจุรหัสพันธุกรรมทั้งหมดเอาไว้ในชิปเพียงอันเดียว ทำให้นักวิจัยสามารถมองเห็นภาพรวมของการเกิดปฏิกิริยาต่อกันระหว่างยีนทั้งหมดกว่าพันยีนได้ในเวลาเดียวกัน
การทำงานของ microarray เทคโนโลยี DNA microarray เกิดจากการสังเคราะห์ดีเอ็นเอขึ้นมาจำนวนหนึ่งเพื่อเป็นตัวแทนของยีนทั้งหมดที่ทราบจากเซลล์ของมนุษย์ โมเลกุลของดีเอ็นเอเหล่านี้จะถูกหยอดด้วยตำแหน่งที่แน่นอนเรียงกันอยู่บนแผ่นแก้วบางๆ (ขนาดเพียง 1.6 x 1.6 ตารางเซนติเมตร) ดังนั้นแผ่นแก้วแผ่นเดียวจึงสามารถบรรจุโมเลกุลดีเอ็นเอตัวแทนของยีนนับพันได้ในพื้นที่จำกัด array หนึ่งแผ่นจะมีจำนวนจุดหนึ่งพันจุด แต่ละจุดที่มีขนาดเล็กกว่า 200 micron นี้จะบรรจุไปด้วยข้อมูลของ DNA หรือ Oligonucleotide นับล้าน ซึ่งแต่ละจุดนั้นจะมีการจับคู่กันจำเพาะต่อกันอย่างด้วย cDNA ของยีนที่เข้าคู่กัน การใช้งานของ microarray นั้นเราจะนำ mRNA ซึ่งเป็นหน่วยที่จำลองมาจากยีนที่กำลังทำงานอยู่จากเซลล์ที่มีอยู่ในตำแหน่งต่างกันหรือมีการทำงานต่างกัน เช่น เซลล์ตับกับเซลล์ไขกระดูก เพราะต้องการตรวจสอบการแสดงออกและไม่แสดงออกของยีนที่อยู่ในสภาวะต่างกัน จากนั้นสร้างDNA จาก mRNA template นี้ด้วยกระบวนการ reverse transcript จะได้ cDNA (complementary DNA) ซึ่งมีความคงทนกว่า RNA ที่ย่อยสลายได้ง่าย คู่เบสที่ได้จากการแปลง DNA คือ A-T และ G-C ส่วนของ RNA เป็น A-U และ G-C จากนั้นให้ความร้อนเพื่อทำให้ DNA แยกเป็นสายเดี่ยว แล้วติดฉลาก cDNA ด้วยสีที่ต่างกัน โดยติดสี cDNA เป้าหมายเป็นสีเขียวและติดสี cDNA อ้างอิงเป็นสีแดง จากนั้นนำ cDNA ดังกล่าวมาติดกับ microarray โดยเคลือบให้ทั่วแล้วล้างออก เพื่อให้เกิดการจับเข้าคู่กันของ cDNA บน microarray
การอ่านผลข้อมูลที่ได้จะใช้มีอุปกรณ์สแกน slide ของ microarray ซึ่งจะมีลักษณะเป็นตู้มืดภายในมีเครื่องสแกนด้วยลำแสงสีแดงและลำแสงสีเขียว สำหรับการตรวจวัดการจับกันของ cDNA กับ probe บน array โดยคอมพิวเตอร์จะบันทึกภาพของจุดสีที่ปรากฏบนแผ่น microarray แล้วแปลผลด้วย image processing software สีที่ปรากฏบน microarray นั้นจะมีสามสีคือ สีแดง สีเขียว และสีเหลือง ช่องที่ปรากฏสีเขียวและสีแดงหมายถึง มี cDNA ของเซลล์เป้าหมายและเซลล์อ้างอิงจับอยู่แยกกัน ส่วนช่องที่ปรากฏเป็นสีเหลืองคือ มีเซลล์เป้าหมายและเซลล์อ้างอิงจับอยู่ร่วมกัน
Microarray ในปัจจุบัน การบีบอัดข้อมูลลำดับพันธุกรรมของมนุษย์ลงไปในชิปได้ก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็ว ไบโอชิปซึ่งบรรจุข้อมูลลำดับพันธุกรรมทั้งหมดของมนุษย์ที่มีลำดับยีน 30,000 ถึง 40,000 หน่วยภายในชิปแผ่นเดียวนี้ ได้สร้างมาตรฐานใหม่แก่ microarray ซึ่งเป็นงานวิจัยที่สามารถสังเคราะห์ oligonucleotide microarrays ในระดับห้องปฏิบัติการได้ การออกแบบ microarray ทั้งหมดนั้นจะถูกจัดเก็บไว้เป็นข้อมูลดิจิตอลซึ่งง่ายต่อการปรับปรุงแก้ไข หรือนำไปใช้ร่วมกับข้อมูลที่เกี่ยวกับ DNA อื่นๆ เช่น ลำดับของฐานข้อมูล ซึ่งสะดวกและรวดเร็วต่อการปรับเปลี่ยนโครงสร้างของ array เพื่อนำไปปรับใช้กับการทดลองอื่นๆ การนำ microarray ไปใช้ประโยชน์ ประโยชน์ของ microarry นอกจากจะใช้ในการศึกษาการทำงานของยีนในตำแหน่งที่ต่างกันแล้ว ยังสามารถประยุกต์ใช้ในด้านอื่นเช่น การทดสอบความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรม (Toxicogenomics) ซึ่งเกิดการรวมตัวกัน (hybridization) ของกลุ่ม functional genomics และ molecular toxicology จุดมุ่งหมายของ toxicogenomics คือ การหาความสัมพันธ์ระหว่างสารที่มีผลต่อความเป็นพิษและการเปลี่ยนแปลงทางข้อมูลพันธุกรรมที่มีผลจากสารพิษนั้น ในด้านการแพทย์ Microarray สามารถใช้ในการศึกษาการทำงานของยีนที่ก่อให้เกิดโรค เช่น ศึกษาการแสดงออกของยีนมะเร็งและการตอบสนองต่อการรักษาในวิธีต่างๆ ใช้ในการเปรียบเทียบว่ามียีนใดบ้างที่ทำงานแตกต่างกันระหว่างในผู้ป่วยและในคนปกติ ซึ่งอาจเป็นสาเหตุของการเกิดโรค หรืออาจนำไปใช้ศึกษาเชื้อโรคที่ดื้อยา เพื่อค้นหาว่ามียีนตัวใดที่ทำงานต่างกันในเชื้อที่ดื้อยาและไม่ดื้อยา เพื่อปรับปรุงยาให้ดีขึ้นได้
สรุป เทคโนโลยีการวิเคราะห์การแสดงออกในระดับยีนนั้นช่วยให้การศึกษาด้านชีวโมเลกุลนั้นก้าวหน้าไปรวดเร็วอย่างไม่น่าเชื่อ หากมองย้อนกลับไป จากแผ่นสไลด์สู่ไมโครชิป ยีนนับพันชิ้นถูกบรรจุลงในชิปเล็กๆอย่าง microarray เพื่อใช้สังเกตเหตุการณ์ที่มองไม่เห็นซึ่งเกิดขึ้นภายในเซลล์ นวัตกรรมนี้นับเป็นความก้าวหน้าของเทคโนโลยีที่น่าตื่นเต้นมาก แต่ได้รับการกล่าวถึงเพียงน้อยนิด ผู้ที่ศึกษาและใช้เทคโนโลยีเหล่านี้จึงควรให้การสนับสนุนการเผยแพร่ความรู้ความเข้าใจให้มากกว่านี้

From LAB.TODAY
>http://www.thaiscience.com/lab_vol/P21/microarray.asp

WHAT IS BIOMEDICAL ENGINEERING?

Many of the problems confronting health professionals today are of extreme importance to the engineer because they involve the Fundamental aspects of device and systems analysis, design, and practical applicationall of which lie at the heart of processes that are fundamental to engineering practice. These medically relevant design problems can range from very complex large-scale constructs, such as the design and implementation of automated clinical laboratories, multiphasic screening facilities (i.e., centers that permit many tests to be conducted), and hospital information systems, to the creation of relatively small and simple devices, such as recording electrodes and transducers that may be used to monitor the activity of specific physiological processes in either a research or clinical setting. They encompass the many complexities of remote monitoring and telemetry and include the requirements of emergency vehicles, operating rooms, and intensive care units.The American health care system, therefore, encompasses many problems that represent challenges to certain members of the engineering profession called biomed- ical engineers. Since biomedical engineering involves applying the concepts, knowledge, and approaches of virtually all engineering disciplines (e.g.,electrical, mechanical, and chemical engineering) to solve specific health care related problems, the opportunities for interaction between engineers and health care professionals are many and varied.Biomedical engineers may become involved, for example, in the design of a new medical imaging modality or development of new medical prosthetic devices to aid people with disabilities. Although what is included in the field of biomedical engineering is considered by many to be quite clear, many conflicting opinions concerning the field can be traced to disagreements about its definition. For example, consider the terms biomedical engineering, bioengineering, biological engineering, and clinical(or medical) engineer, which are defined in the Bioengineering Education Directory. Although Pacela defined bioengineering as the broad umbrella term used to describethis entire field, bioengineering is usually defined as a basic-research-oriented activity closely related to biotechnology and genetic engineering, that is, the modification of animal or plant cells or parts of cells to improve plants or animals or to develop new microorganisms for beneficial ends. In the food industry, for example, this has meant the improvement of strains of yeast for fermentation. In agriculture, bioengineers may be concerned with the improvement of crop yields by treating plants with organisms to reduce frost damage. It is clear that bioengineers for the future will have tremen- dous impact on the quality of human life. The full potential of this specialty is difficult to imagine.

Neuroengineering

Neuroengineering
Introduction: In the world of science there are always new and more advanced technologies introduced on an ongoing basis. A very popular topic of interest today is called neuro-engineering. Moving our brains beyond the connection it has to the body and extending its limitations by the use of computers is the idea behind neuro-engineering (Singer, 2007). A computerized brain chip that could make things happen with just thinking it. How could this ever be possible? The research that has been done thus far has proven that at a biological level, it can be done and is being done. As always, advances in such technologies have their pros and cons. We are no where near ready to begin experimenting with this type of technology but, extensive research has already proven that there are many possibilities. These possibilities could better the quality of life in humans. How It Works The more popular technology researched in the field of neuro-ngineering is Brain-Computer Interfacing. In one-way BCI, computers either accept commands from the brain or send signals to it (for example, to restore vision) but not both (Gibb, 2004). Two-way, BCI would allow brains and external devices to exchange information in both directions but have yet to be successfully implanted in animals or humans. There are two major levels these interfaces apply to: peripheral, which are prosthetic limbs, and neural, where a specific computer chip is placed into contact with the brain. “A recent breakthrough in brain-interfacing described research in which monkeys controlled a robotic arm with thought alone” (Gibb, 2004). What It Solves Neural engineering is a discipline that uses engineering techniques to understand,repair, replace, enhance, or treat the diseases of neural systems. Neural engineers are uniquely qualified to solve design problems at the interface…
Source:http://www.oppapers.com/essays/Neuroengineering/192618

Medical Image Processing

In electrical engineering and computer science, image processing is any form of signal processing for which the input is an image, such as photographs or frames of video; the output of image processing can be either an image or a set of characteristics or parameters related to the image. Most image-processing techniques involve treating the image as a two-dimensional signal and applying standard signal-processing techniques to it. Image processing usually refers to digital image processing, but optical and analog image processing are also possible. This article is about general techniques that apply to all of them.

Biosignal Processing

Signal processing involves the collection and analysis of data from patients or experiments in an effort to understand and identify individual components of the data set or signal. The manipulation and dissection of the data or signal provides the physician and experimenter with vital information on the condition of the patient or the status of the experiment. Biomedical engineers apply signal-processing methods to the design of medical devices that monitor and diagnose certain conditions in the human body.

Biomedical Sensors

A biosensor is an analytical device which converts a biological response into an electrical signal. The term ‘biosensor’ is often used to cover sensor devices used in order to determine the concentration of substances and other parameters of biological interest even where they do not utilise a biological system directly. This very broad definition is used by some scientific journals (e.g. Biosensors, Elsevier Applied Science) but will not be applied to the coverage here. The emphasis of this Chapter concerns enzymes as the biologically responsive material, but it should be recognised that other biological systems may be utilised by biosensors, for example, whole cell metabolism, ligand binding and the antibody-antigen reaction. Biosensors represent a rapidly expanding field, at the present time, with an estimated 60% annual growth rate; the major impetus coming from the health-care industry (e.g. 6% of the western world are diabetic and would benefit from the availability of a rapid, accurate and simple biosensor for glucose) but with some pressure from other areas, such as food quality appraisal and environmental monitoring. The estimated world analytical market is about ?12,000,000,000 year-1 of which 30% is in the health care area. There is clearly a vast market expansion potential as less than 0.1% of this market is currently using biosensors. Research and development in this field is wide and multidisciplinary, spanning biochemistry, bioreactor science, physical chemistry, electrochemistry, electronics and software engineering. Most of this current endeavour concerns potentiometric and amperometric biosensors and colorimetric paper enzyme strips. However, all the main transducer types are likely to be thoroughly examined, for use in biosensors, over the next few years. A successful biosensor must possess at least some of the following beneficial features: The biocatalyst must be highly specific for the purpose of the analyses, be stable under normal storage conditions and, except in the case of colorimetric enzyme strips and dipsticks (see later), show good stability over a large number of assays (i.e. much greater than 100). The reaction should be as independent of such physical parameters as stirring, pH and temperature as is manageable. This would allow the analysis of samples with minimal pre-treatment. If the reaction involves cofactors or coenzymes these should, preferably, also be co-immobilised with the enzyme . The response should be accurate, precise, reproducible and linear over the useful analytical range, without dilution or concentration. It should also be free from electrical noise. If the biosensor is to be used for invasive monitoring in clinical situations, the probe must be tiny and biocompatible, having no toxic or antigenic effects. If it is to be used in fermenters it should be sterilisable. This is preferably performed by autoclaving but no biosensor enzymes can presently withstand such drastic wet-heat treatment. In either case, the biosensor should not be prone to fouling or proteolysis. The complete biosensor should be cheap, small, portable and capable of being used by semi-skilled operators. There should be a market for the biosensor. There is clearly little purpose developing a biosensor if other factors (e.g. government subsidies, the continued employment of skilled analysts, or poor customer perception) encourage the use of traditional methods and discourage the decentralisation of laboratory testing. The biological response of the biosensor is determined by the biocatalytic membrane which accomplishes the conversion of reactant to product. Immobilised enzymes possess a number of advantageous features which makes them particularly applicable for use in such systems. They may be re-used, which ensures that the same catalytic activity is present for a series of analyses. This is an important factor in securing reproducible results and avoids the pitfalls associated with the replicate pipetting of free enzyme otherwise necessary in analytical protocols. Many enzymes are intrinsically stabilised by the immobilisation process , but even where this does not occur there is usually considerable apparent stabilisation. It is normal to use an excess of the enzyme within the immobilised sensor system. This gives a catalytic redundancy (i.e. h << 1) which is sufficient to ensure an increase in the apparent stabilisation of the immobilised enzyme (see, for example, Figures 3.11, 3.19 and 5.8). Even where there is some inactivation of the immobilised enzyme over a period of time, this inactivation is usually steady and predictable. Any activity decay is easily incorporated into an analytical scheme by regularly interpolating standards between the analyses of unknown samples. For these reasons, many such immobilised enzyme systems are re-usable up to 10,000 times over a period of several months. Clearly, this results in a considerable saving in terms of the enzymes’ cost relative to the analytical usage of free soluble enzymes.
Source:http://www.lsbu.ac.uk/biology/enztech/biosensors.html

Drug Delivery

Drug delivery is the method or process of administering a pharmaceutical compound to achieve a therapeutic effect in humans or animals. Drug Delivery technologies are patent protected formulation technologies that modifies drug release profile, absorption, distribution and elimination for the benefit of improving product efficacy & safety and patient convenience & compliance. Most common methods of delivery include the preferred non-invasive peroral (through the mouth), topical (skin), transmucosal (nasal, buccal/sublingual, vaginal, ocular and rectal) and inhalation routes.
Many medications such as peptide and protein, antibody, vaccine and gene based drugs, in general may not be delivered using these routes because they might be susceptible to enzymatic degradation or can not be absorbed into the systemic circulation efficiently due to molecular size and charge issues to be therapeutically effective. For this reason many protein and peptide drugs have to be delivered by injection. For example, many immunizations are based on the delivery of protein drugs and are often done by injection. Current efforts in the area of drug delivery include the development of targeted delivery in which the drug is only active in the target area of the body (for example, in cancerous tissues) and sustained release formulations in which the drug is released over a period of time in a controlled manner from a formulation.