قام الفريق البحثي للدكتور يوآف شيختمان من كلية الهندسة الطبية الحيوية بتفكيك جهاز تصوير موجود تبلغ قيمته مئات الآلاف من الدولارات وأعاد تجميعه. النتيجة: جهاز يقوم بالتصوير ثلاثي الأبعاد لـ 1,000 خلية في الدقيقة
طور الباحثون في التخنيون طريقة مبتكرة للتصوير ثلاثي الأبعاد للعمليات النانوية - على سبيل المثال، داخل الخلايا الحية في سائل متدفق. البحث الذي تم إجراؤه ضمن المجموعة البحثية للدكتور يوآف شيختمان من كلية الهندسة الطبية الحيوية بقيادة طالب ما بعد الدكتوراه الدكتور لوسيان فايس، تم نشره مؤخرًا في مجلة Nature Nanotechnology المرموقة.
وفقًا للدكتور شيختمان، "هدفنا هو تمكين التصوير ثلاثي الأبعاد داخل الخلايا الحية في ظل ظروف تحاكي بيئتها الطبيعية، وبنفس القدر من الأهمية - القيام بذلك بمخرجات عالية (معدل سريع)." يعد هذا تحديًا كبيرًا، لأن الفحص المجهري ثلاثي الأبعاد غالبًا ما يتطلب وقتًا طويلاً ونوعًا من المسح الضوئي. هنا فعلنا ذلك من صورة واحدة وأثناء التدفق."
أجريت التجارب في النظام الجديد على جزيئات الحمض النووي في خلايا الخميرة الحية وعلى خلايا الدم البيضاء بجزيئات نانومترية هندسية مقدمة من مختبر البروفيسور آفي شرودر من كلية وولفسون للهندسة الكيميائية في التخنيون. جوهر الإنجاز: تصوير ثلاثي الأبعاد بدقة عالية لأكثر من 1,000 خلية في الدقيقة.
ويوضح الدكتور شيختمان أن "هذا النجاح يمكن أن يكون له تطبيقات مهمة للغاية في سياق العلوم الأساسية، على سبيل المثال في فهم البنية ثلاثية الأبعاد للحمض النووي داخل الخلية الحية، ولكن أيضًا في مجال طب النانو، أي في العلاج الطبي". يعتمد على جزيئات نانومترية هندسية كما تم تطويرها في مختبر البروفيسور شرودر. وهكذا، على سبيل المثال، يمكننا استخدام التقنية الجديدة لقياس معدل امتصاص مثل هذه الجزيئات العلاجية في الخلية الحية وتتبع توزيعها في الخلية ومراقبة تأثيرها عليها. توجد اليوم طرق لرسم خرائط الخلايا وقياسها، لكن الطرق التي تتميز بالإنتاجية العالية توفر صورة جزئية وثنائية الأبعاد. تجمع تقنيتنا بين مزايا الطرق المختلفة وتوفر صورة ثلاثية الأبعاد بمعدل مرتفع."
تعتمد التكنولوجيا المبتكرة على إعادة هندسة ImageStream - وهو جهاز تصوير متقدم تم شراؤه بمئات الآلاف من الدولارات من قبل مركز لوري لوكي متعدد التخصصات لعلوم الحياة والهندسة في التخنيون. يجمع هذا الجهاز بين تقنيتين مختلفتين - قياس التدفق الخلوي والمجهر الفلوري - وبالتالي يتيح تحليل الخلايا بمعدل مرتفع.
وفقًا للدكتور شيختمان، "إن معدل أخذ العينات وكمية الخلايا التي تم أخذ عينات منها مهمان جدًا في السياق البيولوجي، لأن التجربة البيولوجية دائمًا ما تكون "صاخبة" وغير دقيقة، ولاستخلاص أي استنتاج كمي نحتاج إلى إحصائيات حول كميات كبيرة. هناك حالات يكون من المستحيل فيها جمع مثل هذه الإحصائيات بسبب انخفاض معدل أخذ العينات، لأنه بحلول الوقت الذي تنتهي فيه من جمع المعلومات - تكون الظاهرة قيد الدراسة قد تغيرت بالفعل. ولهذا السبب من المهم أن يكون لدينا تكنولوجيا تتيح أخذ العينات بمعدل مرتفع."
يتم استخدام ImageStream للعديد من الأغراض بما في ذلك تحديد خصائص السكان وتشخيص الحالات الطبية واختبار أدوية جديدة. يقول الدكتور شيختمان: "إنه جهاز ممتاز، ولكن به قيود كبيرة - فهو يسمح فقط بصور الأشياء ذات البعدين، مما يعني أنه لا يمنحنا سوى رسم خرائط ثنائي الأبعاد لها". من الواضح أن هذه مشكلة، لأن الأشياء في العالم الحقيقي ثلاثية الأبعاد. حتى لو أردنا فقط التحقق من المسافات داخل بعض الجسيمات، فإن القياس ثنائي الأبعاد ليس كافيا، لأنه حتى في بعد العمق هناك مسافة معينة بين كل نقطتين."
وكان هذا بالضبط هو التحدي التكنولوجي الرئيسي في هذه الدراسة - وهو تحويل ImageStream إلى جهاز تصوير ثلاثي الأبعاد. "ولهذا كان علينا فتحه وإعادة تجميعه بنظامنا البصري الفريد. عليك أن تتذكر أن هذا جهاز تبلغ قيمته 600 ألف دولار، لذا فإن موافقة مركز التصوير في معهد لوكي على القيام بذلك لم تكن واضحة، ولكن منذ اللحظة التي فتحنا فيها الجهاز ونظرنا بداخله، كان واضحًا لنا ما يجب أن يكون تم (دون ضرر)."
قامت مجموعة البحث بتثبيت التكنولوجيا التي طورتها في السنوات الأخيرة على ImageStream - تكنولوجيا الفحص المجهري المعتمد على تصميم واجهة الموجة. إنه في الواقع تشوه متحكم فيه للنظام البصري، مما يسمح بتحديد مواقع الجسيمات في الفضاء ثلاثي الأبعاد. تعتمد هذه التقنية على تصوير جزيئات الصبغة المضمنة في العينة وتحديد المواقع المهمة داخلها (مثل نواة الخلية). واستنادًا إلى الشكل الذي حصلت عليه الكاميرا، وبعد المرور عبر النظام البصري المشوه، يقوم النظام بتحليل الموضع ثلاثي الأبعاد للكائن الذي يتم فحصه.
حتى الآن، تم استخدام هذه التقنية للتصوير ثلاثي الأبعاد للأنظمة الثابتة، ويمنحها الاتصال بجهاز قياس الخلايا القدرة على رسم خريطة للخلايا المتدفقة. أدى هذا الارتباط، الذي يمثل في حد ذاته تحديًا تكنولوجيًا كبيرًا، إلى النجاح في أخذ العينات بمعدل مرتفع جدًا - آلاف الخلايا في الدقيقة. وأعربت مجموعة Nature، كما ذكرنا، عن ثقتها في هذا الاختراق من خلال النشر في مجلتها الرائدة، ويقدر الباحثون أن الإنجاز التكنولوجي سيؤدي إلى تطورات علمية وتطبيقية مهمة في الأبحاث البيولوجية والتكنولوجية الحيوية والتشخيص الطبي وتطوير علاجات طبية جديدة. .
كما شارك في العمل الدكتورة أونيت إيلوف، والدكتورة سارة غولدبرغ، وطلبة الدكتوراه يائيل شالو عزرا، وبوريس فريدمان، وعمر أدير.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
آسف على السؤال، ولكن ما الذي يمكن استخلاصه من هذه الصور الباهتة؟ هل هو مختوم هل هو جزيء؟ هل هو جسم غامض؟ أرى مكانًا غير معروف في الصورة، ولا أعرف ما الذي يمكن فعله به بالضبط.