عضو هیات علمی دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه تهران، ایران
سال تولد: 1982
محل تولد: ایران
اثر: ترجمه رفتار سلولهای سالم و سرطانی در حوزه الکترونیک (شیوه‌های نوین تشخیص سرطان)
حوزه دریافت جایزه: علم و فناوري نانو الكترونيك
در زمان مناسب، در جای مناسب
نگاهی خودمانی به زندگی محمد عبدالاحد
یک هواپیمای مسافربری امروزی بیش 10 هزار حسگر دارد که مدام اطلاعاتی را ذخیره می‌کنند که چگونگی عملکرد هواپیما را به اطلاع خلبان می‌رساند. اما مهم‌تر از آن، این حجم عظیم داده‌ها امکان پیش‌بینی مشکلات مکانیکی و فنی را فراهم می‌کنند که به راحتی می‌توان آنها را برطرف کرد، البته به شرطی که هواپیما روی زمین باشد نه در اوج آسمان. این سیستم عملکرد فوق‌العاده‌ای دارد: سوانح هوانوردی بی‌نهایت نادرند و احتمال کشته شدن یک مسافر در پرواز چیزی در حدود یک در 8 میلیون است.
بدن ما نیز به سیستم اطلاعات مشابهی مجهز است که میتواند در باره هر بیماری قریب‌الوقوعی هشدار دهد. به هر حال، خواندن این اطلاعات حیاتی به یک دسترسی جامع به بدن انسان در سطح سلولی یا مولکولی نیاز دارد، که متاسفانه ما چنین دسترسی‌ای نداریم. اما در مورد یک بیماری خاص چطور، کشنده‌ترین بیماری: سرطان. این همان ایده‌ای است که شمس‌الدین مهاجرزاده، استاد مهندسی برق دانشگاه تهران، درباره‌اش با محمد عبدالاحد، وقتی دانشجوی دکتری بود، صحبت کرد.
یک گپ کوتاه دلنشین
عبدالاحد که اکنون دانشیار مهندسی برق در دانشگاه تهران است به یاد می‌آورد «یک روز به طور اتفاقی، درباره استادی با من صحبت کرد که از آمریکا آمده و چیزهای بسیار جالبی در مورد سلولهای سرطانی می‌گوید.» در آن زمان، عبدالاحد به عنوان یک دانشجوی تازه‌وارد در دوری دکتری مهندسی برق با سرطان سروکاری نداشت و می‌خواست رساله دکتری‌اش را در زمینه فوتونیک انجام دهد. اما همان گپ‌وگفت کوتاه با مهاجرزاده در ادامه ذهنیت او را به شکل چشمگیری تغییر می‌دهد.
کمی پس از مطالعات اولیه، عبدالاحد متوجه شد که علوم زیستی مرتبط با سرطان و کاربردهای الکترونیک در آن میتواند زمینه پژوهشی واقعا فوق‌العاده‌ای باشد. وقتی تصمیم گرفت تحت نظر مهاجرزاده کار روی رساله‌اش را آغاز کند معلوم شد که بدون یک پشتوانه قوی در علوم زیستی، برای پیشرفت در این حوزه کار بسیار دشواری در پیش دارد. بنابرابن علاوه بر مطالعات معمول در زمینه مهندسی برق، مطالعه علوم زیستی، به طور خاص در مورد سرطان، آسیب‌شناسی، رفتار زیست‌شیمیایی سلول و همچنین ترجمه آن در حوزه الکترونیک را را آغاز کرد. عبدالاحد می‌گوید «مهاجرزاده تمام امکانات اولیه کار را فراهم کرد و حتا از یکی از استادان زیست‌شناسی (مهران حبیبی رضایی) خواهش کرد که به ما زیست‌فناوری بیاموزد.»
در طول این دوره که حدود 2 سال طول کشید، او در زمینه رفتار الکتریکی سلولهای سرطانی و سالم چند مقاله منتشر و جند دستگاه اختراغ کرد که برخی از آنها در جهان بی‌سابقه بودند. پس از دریافت مدرک دکتری، دانشگاه تهران به خاطر همین دستارودهای چشمگیر، این فرصت فوق‌العاده را به او داد تا پژوهش‌هایش را در یک آزمایشگاه اختصاصی دنبال کند. در همان زمان، ستاد توسعه فناوری میکروالکترونیک معاونت علم و فناوری ریاست جمهوری نیز بودجه‌ای به پژوهش‌های او اختصاص داد.
تحت سرپرستی عبدالاحد، گروهی از متخصصان از رشته‌های گوناگون در آزمایشگاه ادوات نانو-بیو الکترونیکی، گرد هم آمدند تا دست به کار پژوهش در زمینه سیستم‌‌ها، روش‌ها و ابزارهای تشخیصی برای سرطان شوند. او می‌گوید «وقتی کار پژوهش ما آغاز شد، بسته به نیازهای‌مان باید از تخصص‌های مختلفی استفاده می‌کردیم.» سال‌های بعد، در واقع دوره پیشرفت و دستاوردهای مداوم برای عبدالاحد و گروه پژوهشی او بود، از جمله طراحی و ساخت یک تراشه زیستی میکروالکترونیکی موسوم به «متاس-چیپ» که با دقت بسیار بالایی می تواند وجود میکرومتاستاز را در نمونه‌های بافت‌برداری تشخیص دهد.
یکی از مهم‌ترین عوامل موثر بر مسیر حرفه‌ای عبدالاحد، ارتباط مداوم او با بیمارستان‌ها و مراکز پژوهشی علوم زیستی بود. او می‌گوید « وقتی فرایند ساخت متاس-چیپ به پایان رسید به لطف همکارانم در دانشگاه علوم پزشکی تهران و بیمارستان محک، این شانس را داشتیم که عملکرد دستگاه را در آزمایشهای کلینیکی بررسی کنیم.»
انتشار مقاله مربوط به متاس-چیپ در ژورنال معتبر Nature Communications یک چالش 10 ماهه بود که پس از مکاتبات و بحث‌های تخصصی مفصل میان داوران و گروه‌‌های پژوهشی در نهایت به چاپ مقاله در دسامبر سال 2017 منتهی شد. اما برای عبدالاحد، این پایان ماجرا نبود. او می‌گوید «با انتشار مقاله، ما فناوری را معرفی کردیم اما ساختن محصولی که طراحی مناسبی داشته باشد و کاربردش برای کاربر آسان باشد، یک گام بزرگ دیگر بود.» گامی که او برداشت و با همکاری گروهی از طراحان صنعتی این وسیله را به یک محصول نهایی یکپارچه تبدیل کرد.
آرزوهای بزرگ
عبدالاحد متولد سال 1361 در تهران است. در سال‌های اخیر به موفقیت‌های فراوانی رسیده است، از جمله ثبت بیش از 20 اختراع در آمریکا و انتشار بیش از 50 مقاله در ژورنال‌های برجسته، عمدتا در زمینه تشخیص سرطان از طریق دستگاه‌های نانوالکترونیکی. به خاطر پژوهش‌ها و همچنین اختراع‌هایش در زمینه فناوری تشخیص سرطان، در سال 2016 از سوی سازمان جهانی مالکیت فکری به عنوان برنده مدال «بهترین مخترع جوان» معرفی شد. او جایزه بهترین دانشمند جوان فرهنگستان علوم ایران را نیز دریافت کرده است. از سال 2016، او عضو هیئت علمی وابسته دانشگاه علوم پزشکی تهران است. عبدالاحد تلاش می‌کند یک دوره مشترک فلوشیپ-پسادکتری با عنوان «جراحی انکولوژی الکتروتکنیکی» راه‌اندازی کند که فصل مشترک میان رشته‌های جراحی و مهندسی برق است.
عبدالاحد زمینه پژوهشی‌اش را این‌طور توضیح می‌دهد: «مبارزه با سرطان با کمک الکترونیک در زمینه تشخیص، از علم تا محصول.» در واقع او دارد در فصل مشترک رشته‌های علمی گوناگونی کار می‌کند، نقطه‌ای کلیدی که سدشکنی‌های دنیای علم اغلب در آنجا رخ می‌دهد. در سن 37 سالگی به نظر می‌رسد، او در زمان مناسب در جای مناسب قرار گرفته است. او اکنون به هدف بلندپروازنه دیگری می‌اندیشد اما می‌گوید «اجازه دهید چیزی در موردش نگویم، محرمانه است.» با این حال او باور دارد «یافتن امضای الکترونیکی شروع سرطان»، و «چگونگی کنترل الکتریکی کارکرد سرطان برای جلوگیری از اثرهای ویرانگر آن بر بدن»، دو تا از مهم‌ترین پرسش‌ها در زمینه پژوهشی او هستند که پاسخ به آنها میتواند منجر به سدشکنی‌هایی شود.
او خودش را کسی می‌داند که «پرسش‌های زیادی در ذهن دارد، کسی که دانش‌اش همواره پایین‌تر از چیزی است که برای پرداختن به مساله‌های حل‌نشده‌اش لازم است اما می‌خواهد که بیشتر و بیشتر بداند.» او باور دارد اگر از جهل‌اش بکاهد و به تجربه‌اش بیفزاید ممکن است بتواند به انسان‌ها کمک کند که زندگی بهتری داشته باشند. او می‌گوید «من به یک زندگی صادقانه باور دارم، زندگی‌ای که در آن بخواهید به انسان‌ها، فارغ از باورهای دینی‌شان یا نژادشان، کمک کنید. می‌خواهم یک مسلمان واقعی باشم.» بیرون از آزمایشگاهش، وقتی سرگرم پژوهش نیست، ترجیح می‌دهد با خانواده‌اش وقت بگذراند و با بچه‌هایش بازی کند.
وقتی هنوز خیلی دیر نیست
پیشرفت‌های اخیر در زمینه حسگرهای زیستی تشخیص سرطان این فناوری را در آستانه تجاری‌شدن قرار داده است
گاهی حتا با چشم بسته هم بوی بستگان نزدیک‌تان را تشخیص می‌دهید. این به عطری که می‌زنند یا شوینده‌ای که استفاده می‌کنند ربطی ندارد، بوی خود آنهاست که به وضوح شخیص می‌دهید. رایحه بدن ما در واقع از هزاران ماده آلی تشکیل شده است. این ترکیب پیچیده مولکول‌ها در رایحه بدن که درست مثل اثرانگشت بی‌همتا است، میتواند چیزهای زیادی را درباره ما افشا کند، اطلاعاتی مانند سن، ژنتیک، سبک زندگی، زادگاه، شغل یا حتا وضعیت سلامت جسمانی و فرایند‌های متابولیک زیربنایی آن.
این رازی نیست که علم مدرن برملا کرده باشد. در طب سنتی یونان و چین باستان، بوییدن رایحه بیمار به عنوان یک روش تشخیص رایج بوده است. با این حال پژوهش‌های پزشکی مدرن نیز تایید می‌کند که بوی پوست، نفس یا مایعات بدن میتواند نشان دهد که آیا فردی بیمار است یا نه. برای مثال بازدم بیماران مبتلا به دیابت گاهی بویی شبیه به سیب گندیده دارد. استفاده از بویایی به عنوان یک شیوه تشخیص غیرتهاجمی، ایده بسیاری جالبی به نظر می‌رسد اما متاسفانه همه پزشکان حس بویایی خوبی ندارند و دماغ‌شان نمی‌تواند یک ابزار دقیق قابل‌اطمینان باشد. اما اگر واقع‌گرایانه‌تر به ماجرا نگاه کنیم بدن ما مملو از نشانگرهای زیستی است که اگر ابزار مناسب برای خواندن آنها را داشته باشیم می‌توانیم به داده‌هایی درباره سلامتی‌مان دست یابیم که حیاتی‌اند. به همین علت است که پژوهشگران دهه‌هاست تلاش می‌کنند حسگرهایی زیستی بسازند که می‌توانند به شیوه‌ای ارزان، سریع، غیرتهاجمی و قابل‌اطمینان بیماری‌ها را تشخیص دهند.
ائتلاف
تاریخچه حسگرهای زیستی به بیش از یک قرن پیش برمی‌گردد، زمانی که مکس کرمر، فیزیولوژیست آلمانی (1935-1865)، الکترود شیشه‌ای را در سال 1906 اختراع کرد. پس از معرفی مفهوم pH (غلظت یون هیدروژن) در سال 1909 و ساخت نخستین الکترود برای اندازه‌گیری آن در سال 1922، پژوهشگران متعددی تلاش کردند قابلیت‌های انواع ابتدایی حسگرهای زیستی را نشان دهند. با این حال، مدت‌ها بعد و در سال 1956 بود که نخستید حسگر زیستی واقعی توسط للاند کلارک، زیست‌شیمی‌دان آمریکایی (2005-1918)، طراحی شد. از او به عنوان «پدر حسگرهای زیستی» یاد می‌شود و اختراعش که الکترودی برای تشخیص قند بود در نهایت منجر به تولید نخستین نسل از حسگرهای زیستی در سال 1975 شد.
از آن زمان تاکنون، حوزه حسگرهای زیستی پیشرفت‌های چشمگیری را تجربه کرده است و اکنون به یک زمینه پژوهشی چندرشته‌ای تبدیل شده که هر دستاوردی در آن نیازمند ائتلافی از دانشمندان است که بدانند چگونه باید میان بنیادهای علوم پایه، الکترونیک، میکرو-الکترو-مکانیک، نانوتکنولوژی و پزشکی پل بزنند. در چند سال اخیر، گروهی از پژوهشگران نخبه در آزمایشگاه ادوات نانو بیوالکترونیک دانشگاه تهران، چنین ائتلافی را شکل داده‌اند. محمد عبدالاحد، سرپرست این آزمایشگاه و دانشیار دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، و همکارانش در مدت کوتاهی که از آغاز به کار این آزمایشگاه می‌گذرد چندین سیستم تشخیص مینیاتوری جدید را معرفی کرده‌اند. عبدالاحد، یکی از برگزیدگان مقیم کشورهای اسلامی جایزه مصطفی (ص) 2019، و گروهش به موفقیت‌های فراوانی، از جمله ثبت بیش از 20 اختراع در آمریکا و چاپ بیش از 50 مقاله در ژورنال‌های برجسته، دست یافته‌اند. عبدالاحد در مقاله‌ای که سال 2017 در ژورنال Nature Communications منتشر شد، تراشه زیستی میکروالکترونیکی جدیدی موسوم به «متاس-چیپ» را معرفی کرد که با دقت بالایی میتواند وجود میکرومتاستاز را در نمونه‌های بافت‌برداری تشخیص دهد.
یکی از بزرگ‌ترین نویدهای حسگرهای زیستی این است که آنها می‌توانند بیماری‌های را موقعی تشخیص دهند که برای سایر آزمایشهای متعارف قابل‌تشخیص نیست. و وقتی صحبت از تشخیص زودهنگام به میان می‌آید، هیچ بیماری‌ای بحرانی‌تر از سرطان نیست. به همین علت هدف اصلی بسیاری از پژوهش‌ها در حوزه حسگرهای زیستی یافتن روش‌های جدید و طراحی دستگاه‌های جدید برای تشخیص سرطان است. مهم‌ترین گام در تعیین پیشرفت مراحل بیماری و رژیم‌های درمانی سرطان، شناسایی سلولهای سرطانی متاستاتیک در نمونه‌ای است که با استفاده از روش‌های آسیب‌شناختی از بافت ثانویه بیمار برداشته می‌شود.
اما این روش‌ها اساسا به شکلی طراحی شده‌اند که می‌توانند حضور سلولهای مهاجم غیرعادی را در نمونه‌هایی رهگیری کنند که به شیوه خاصی از بافت جداشده تهیه شده‌اند. به بیان دیگر، در مورد این شیوه‌های آسیب‌شناختی همیشه این احتمال وجود دارد که تعدادی از سلولهای مهاجم از قلم بیفتند. عبدالاحد می‌گوید «هرچند سلولهای سرطانی در برخی موارد قابل شناسایی هستند، اما این احتمال هست که بسیار اندک باشند یا تنها در قسمت‌هایی از نمونه جداشده حضور داشته باشند که متخصص آسیب‌شناسی آنها را بررسی نمی‌کند، جلوگیری از نادیده ماندن هریک از سلولهای سرطانی مهاجم به شدت زمان‌بر و پرهزینه است.»
قاعده طلایی
اغلب گفته می‌شود که سرطان تنها یک بیماری نیست. در واقع بیش از 200 نوع سرطان وجود دارد و همه آنها به واسطه رشد کنترل‌ناپذیر سلول ها در بدن به وجود می‌آیند. مرگ ناشی از سرطان معمولا به علت تومورهای ثانویه‌ای است که در واقع پیامد گسترش سلولهای سرطانی به دیگر قسمت‌های بدن طی فرایندی موسوم به متاستاز است. عبدالاحد می‌گوید «متاستاز زمانی رخ می‌دهد که سلولهای سرطانی به یک فنوتیپ مهاجم مهاجرت می‌کنند، فرایندی که از گروه‌هایی از سلول‌ها آغاز می‌شود که ظاهرا از تومورهای اولیه جدا شده‌اند.»
با وجود پیشرفت‌های فراوان در درک ماهیت سرطان، مدت‌هاست که در اثرهای ویرانگر این بیماری بر بیماران تقریبا تغییر چندانی رخ نداده است. در واقع، نرخ مرگ‌ومیر کلی تمام انواع سرطان‌ها در دهه 2000 تقریبا معادل همان چیزی بود که در دهه 1950 بود. در سوی دیگر، قاعده طلایی در جنگ با این بیماری نیز همچنان همان است که بود: نیمی از برد در این نبرد مبتنی بر تشخیص زودهنگام است. با این حال، تشخیص مراحل ابتدایی سرطان، مدت‌ها پیش از آنکه نشانه‌های جسمی بروز کند، می تواند بسیار دشوار باشد. رویکردی که عبدالاحد در مقاله‌اش ارائه کرد این امکان را به وجود می‌آورد که بتوان سلولهای متاستایک را به شیوه‌ای ساده، سریع و غیرشیمایی در نمونه‌های کوچک بافت‌برداری به دام انداخت. قابلیتی که میتواند اثر تشخیصی روش‌های آسیب‌شناختی کنونی پیش از جراحی یا رویه‌های درمانی را بهبود دهد.
فناوری حسگرهای زیستی در حال تکامل است و مدام دستگاه‌های کارآمدتر، حساس‌تر و مطمئن‌تری طراحی و ساخته می‌شوند. با این حال شمار بسیار اندکی از آنها به مرحله کارآزمایی بالینی برای تشخیص سرطان می‌رسند. اما همکاری میان گروه پژوهشی عبدالاحد و دانشگاه علوم پزشکی تهران این امکان را فراهم کرد که تراشه متاس-چیپ تحت کارآزمایی بالینی قرار بگیرد و این دستگاه که اختراعش در آمریکا ثبت شده، قابلیت‌های چشمگیرش را اثبات کرد. عبدالاحد می‌گوید «متاس-چیپ توانست ظرف کمتر از 5 ساعت موارد متاستاز را در بیش از 70 بیمار مبتلا به سرطان سینه تشخیص دهد. علاوه بر این، تراشه در غده‌های لنفاوی 9 بیمار نیز متاستاز را تشخیص داد که در رویه متعارف آسیب‌شناختی از قلم افتاده بودند.» آزمایشهای تکمیلی که در ادامه روی این نمونه‌های از قلم‌افتاده انجام شد درستی تشخیص‌های تراشه را تایید کرد.
سرمایه‌گذاری های هنگفتی که در سال‌های اخیر در سرتاسر دنیا در زمینه «پژوهش‌های کاربردی‌سازی»، به‌ویژه در زمینه کاربردهای درمانی، انجام شده است، مسیر توسعه سریع‌تر فناوری‌های حسگرهای زیستی را هموار کرده است. این روند میتواند به اتحاد صنعت و دانشگاه برای ارائه محصولاتی منجر شود که قابلیت تجاری‌سازی و رقابت در بازار را دارند. دست یافتن به چنین هدفی نیازمند دانشمندان علوم مهندسی و فیزیک‌دانانی است که درک بهتری از زیست‌شناسی دارند و همچنین زیست‌شیمی‌دانان و زیست‌شناسانی است که آگاهی بیشتری نسبت به قابلیت‌ها و ظرفیت‌های فناوری‌های گوناگون دارند. ائتلاف متخصصانی از رشته‌های گوناگون، مانند آنچه به واسطه کوشش‌های عبدالاحد و همکارانش در دانشگاه تهران شکل گرفته است، شرایط بسیار نویدبخشی را فراهم می‌کند که میتواند منجر به تجاری‌سازی محصولات پیشرفته و جدید شود.