روش میکروسکوپی جدید برای عکسبرداری از بافت های زنده

 زینب شاه مرادی - مرکز یادگیری تبیان
به گزارش بیگ بنگ، این تکنیک خلاقانه، قابلیت عکس برداری میکروسکوپی از ۲۴ ساختار بیومولکولی را به طور هم زمان دارد؛ این درحالی ست که پیش از این، عکس برداری میکروسکوپی فقط به عکس گرفتن از پنج پروتئین فلورسنت به صورت هم زمان محدود می‌شد. پژوهش گران در دانشگاه کلمبیا، گام مهمی به سمت تغییر دادن روش‌های قدیمی برداشته‌اند که اصلی‌ترین آن‌ها، شکستن کدهای رنگی قدیمی در عکسبرداری نوری از سیستم‌های بیولوژیکی است. آن‌ها هم چنین سیستمی را در دسترس دیگران قرار دادند که می‌تواند به طور جامع‌تر و انتخاب‌پذیرتری از تعداد بیشتری بیومولکول در سلول‌ها و بافت‌های زنده عکسبرداری کند. پیشرفت این سیستم، پتانسیل استفاده در عملکردهای بیشتری را در آینده را دارد، از جمله کمک به توسعه‌ی روش‌های درمانی برای بیماری‌های مختلف.
در مقاله‌ای که در ۱۹ آوریل در مجله‌ی Nature منتشر شد، تیمی به سرپرستی پروفسور شیمی دان وین مین گزارش دادند که یک پلت‌فرم میکروسکوپی نوری جدید با حساسیت بسیار بالاتری در ردیابی و شناسایی مولکول‌ها اختراع کرده‌اند. در این مقاله آمده است که این دستگاه در صورت جفت شدن با ابزارهای موجود، قادر به خلق مولکول‌های جدید برای ایجاد قابلیت برچسب زدن و عکس برداری همزمان از بیش از ۲۴ بیومولکول خاص خواهد بود؛ و این مقدار، پنج برابر بیشتر است از تعداد بیومولکول‌ هایی که تاکنون با استفاده از تکنولوژی‌های موجود به صورت همزمان عکس برداری شده‌اند.
پروفسور مین درین باره گفته است:« بزرگ ترین چالش حال حاضر میکروسکوپ‌های نوری در رابطه با سیستم‌های بیولوژیکی، چگونگی عکس گرفتن از تعداد زیادی گونه‌ مولکولی موجود درون سلول‌ها، به صورت همزمان و با حساسیت و انتخاب‌پذیری بالا می‌باشد. چیزی که تحقیقات و یافته‌های ما را جدید و منحصر به فرد می‌کند این است که در این سیستم دو قطعه‌ کاملا مجزا، یعنی دستگاه‎ها و مولکول‌ها، برای مبارزه با این مانع قدیمی با یکدیگر همکاری می‌کنند. این پلت‌فرم، می‌تواند سیستم‌های پیچیده‌ بیولوژیکی را ترجمه کرده و فهمیدن آن‌ها را ساده‌تر کند. چند نمونه‌ از این سیستم‌های پیچیده عبارتند از: نقشه‌ پهناور سلول‌های انسان، الگوهای متابولیکی، عملکرد ساختارهای گوناگون موجود در مغز، شرایط محیط داخلی تومورها و نحوه‌ مونتاژ شدن ابرمولکول‌ها. و این‌ موارد فقط چند نام از تعداد بیشماری سیستم می‌باشد.»
تمام روش‌های موجود برای مشاهده‌ی ساختارهای گوناگون موجود در سلول‌ها و بافت‌های زنده، قدرت خود را دارند اما دارای محدودیت‌های بنیادین نیز هستند که یکی از اصلی‌ترین این محدودیت‌ها، “سیستم کدهای رنگی” می‌باشد.
به عنوان مثال، میکروسکوپ فلورسنت که حساسیت بسیار بالایی دارد و استفاده از آن، یک تکنیک رایج در آزمایشگاه‌های زیست‌شناسی می‌باشد، با استفاده از پروتئین‌های فلورسنت که معمولا به پنج رنگ دیده می‌شوند به دانشمندان این امکان را می‌دهد که فرآیندهایی که در سیستم‌های زنده رخ می‌دهد را پایش کنند. هرکدام از این ۵ پروتئین فلورسنت، یک ساختار هدف دارند که معمولا با یک رنگ خاص دیده می‌شود و می‌تواند به عنوان یک علامت شناسایی مورد توجه قرار گیرد. این ساختارها یا رنگ‌های هدف عبارتند از: BFP (پروتئین فلورسنت آبی)، ECFP (پروتئین فلورسنت فیروزه‌ای)، GFP (پروتئین فلورسنت سبز)، Mvenus (پروتئین فلورسنت زرد) و DsRed (پروتئین فلورسنت قرمز).
میکروسکوپ‌های فلورسنت با وجود تمام قدرتی که دارند اما به خاطر استفاده از کدهای رنگی، باعث ایجاد محدودیت در کار پژوهشگران برای مطالعه‌ همزمان ساختارها می‌شوند. زیرا پروتئین‌های فلورسنت می‌توانند فقط ۵ گروه رنگی را منتشر کنند و در نتیجه پژوهشگران فقط قادر به مطالعه‌ همزمان ۵ ساختار خواهند بود.
به عنوان مثال، اگر پژوهش گری در تلاش برای مشاهده‌ تمامی ساختارها و انواع مختلف سلول‌های موجود در نمونه بافت تومور مغزی باشد، به دیدن فقط ۵ ساختار به صورت همزمان محدود خواهد شد؛ و اگر بخواهد تعداد بیشتری از ساختارهای موجود در آن بافت را ببیند بایستی به ترتیب برچسب‌های فلورسنت را در مکان‌های مختلفی بگذارد و در هر مشاهده یک گروه پنج تایی از ساختارها را ببیند. در واقع این پژوهش گر مجبور خواهد بود فرآیند متمایز کردن بافت از برچسب‌های فلورسنت و نصب مجدد آن در نقاط مختلف را برای هر ست پنج تایی از ساختارهایی که می‌خواهد مورد مطالعه قرار دهد، تکرار کند؛ در نتیجه‌ این امر او نه تنها قادر به مشاهده‌ی بیش از پنج ساختار در یک زمان نخواهد بود بلکه تمیز کردن بافت ممکن است منجر به از دست رفتن و یا تخریب اجزای حیاتی آن بشود.
لو ووی، نویسنده‌ ارشد این مقاله و پژوهشگر فوق دکترا در آزمایشگاه پروفسور مین، می‌گوید:« ما می‌خواهیم تمامی ساختارها را به صورت همزمان ببینیم تا چگونگی عملکرد هر کدام را به تنهایی و همچنین نحوه‌ی برهمکنش‌هایی که با یکدیگر دارند را بفهمیم. اجزای بسیار زیادی در یک محیط بیولوژیکی وجود دارد و ما نیاز داریم که بتوانیم همه چیز را به صورت همزمان ببینیم تا به درستی فرآیندها را بفهمیم و درک کنیم.»
علاوه براین، در حال حاضر در میکروسکوپ‌های فلورسنت، از تکنیک‌های میکروسکوپی رامان برای مشاهده‌ی ساختار سلول‌ها و بافت‌های زنده استفاده می‌شود که ارتعاشات مشخص مربوط به پیوندهای شیمیایی هر ساختار را به ارتعاشات نور مرئی قابل مشاهده تبدیل می‌کند. با این حال، اگرچه تکنیک رامان در میکروسکوپ‌های موجود، رنگ‌های بسیار قوی و قابل مشاهده‌ای تولید می‌کند اما سیگنال‌های مربوط به پیوندهای شیمیایی که به اندازه‌ی کافی قوی نیستند را از دست می‌دهد. برای متمرکز کردن سیگنال‌های ارتعاشی به منظور تقویت آن‌ها باید میلیون‌ها ساختار با پیوندهای شیمیایی کاملا یکسان وجود داشته باشد زیرا ، اگر سیگنال مربوط به یک پیوند شیمیایی به اندازه‌ کافی قوی نباشد، تشخیص ساختار حاوی آن پیوند عملا غیرممکن خواهد بود. برای غلبه به این چالش بزرگ، پروفسور مین و تیم همراهش، شامل پروفسور شیمی دان ویرجینیا کورنیش و پروفسور اعصاب رافائل یوست، تحقیقاتی را برای یافتن ترکیب جدیدی از تکنیک‌های میکروسکوپی موجود به انجام رساند.
آن‌ها پلت‌فرم جدیدی را به نام “میکروسکوپ انتشاری رامان از طریق تحریک پیش رزونانسی الکترونیکی(epr-SRS)” طراحی کردند.این پلت‌فرم، ترکیبی از دو تکنیک فوق‌العاده‌ی حال حاضر می‌باشد که در کنار یکدیگر توانسته‌اند، سطح بالایی از حساسیت و گزینش‌پذیری را ایجاد کنند. تکنیک خلاقانه‌ جدید می‌تواند سیگنال‌های ضعیف‌تری از پیوندهای شیمیایی را شناسایی کند و برخلاف تکنیک قدیمی رامان که نیازمند یک سیگنال تقویت شده بوسیله‌ میلیون‌ها ساختار بود، این تکنیک فقط به ۳۰ ساختار با پیوندهای شیمیایی یکسان دارد تا بتواند سیگنال‌های ارتعاشی پیوندهای شیمیایی هر ساختار را شناسایی کند. این تکنیک همچنین گروه جدیدی از برچسب‌های مولکولی را تولید می‌کند که بوسیله‌ این تیم طراحی شده‌اند و قابلیت عکسبرداری همزمان از ۲۴ ساختار، به جای فقط ۵ ساختار، را برای این تکنولوژی فوق مدرن ایجاد کرده‌اند. پژوهش گران معتقدند که این تکنیک پتانسیل زیادی برای بسط یافتن در آینده دارد.
تیم تحقیقاتی این پروژه توانستند پلت‌فرم خود را با موفقیت برای مشاهده‌ بافت مغز آزمایش کنند. دکتر ووی در این رابطه گفت: «ما قادر به دیدن سلول‌های مختلفی شدیم که با یکدیگر کار می‌کردند و این قدرت مربوط به استفاده از محدوده‌ وسیع‌تری از رنگ‌ها بود. این امید وجود دارد که ما در آینده بتوانیم عملکرد هر سلول و بافت را دقیقا در زمان واقعی آن مشاهده کنیم. در واقع، بافت مغز تنها چیزی نیست که پژوهشگران آرزو دارند این تکنیک برای شناسایی آن، قابل استفاده باشد؛ سلول‌های مختلفی با عملکردهای متفاوت وجود دارند و دانشمندان معمولا می‌توانند فقط یک گونه از این سلول‌ها را در یک زمان مورد مطالعه قرار دهند، درحالی که با استفاده از رنگ‌های بیشتر ما قادر خواهیم بود سلول‌های مختلفی را به صورت همزمان مورد مطالعه قرار دهیم و عملکرد هرکدام را به تنهایی و برهم‌کنش سلول‌ها با یکدیگر را در حالت‌های مختلف از سلامتی و بیماری بررسی نمائیم.»
پروفسور مین گفته است:« پلت‌فرم جدید پتانسیل کاربردی بالایی دارد. پیشرفت این تکنولوژی در آینده می‌تواند برای درمان تومورهایی به کار رود که به راحتی با داروهای موجود از بین نمی‌روند. اگر ما بتوانیم چگونگی برهم‌کنش ساختارهای مختلف در یک سلول سرطانی را مشاهده کنیم قادر خواهیم بود ساختارهای هدف را با دقت بیشتری مورد بررسی قرار دهیم. این پلت‌ فرم هم چنین می‌تواند درک ما را از جزئیات اجزای مختلف یک بافت زنده تغییر دهد.»



منبع: http://bigbangpage.com