قام باحثان في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) بتطوير نظام جديد يستخدم شعاع ليزر مركّز لتعليق الخلايا وفرزها. يتيح النظام إجراء دراسات بيولوجية جديدة، ويوفر طريقة غير مكلفة لتحسين الاختبارات والتشخيصات السريرية والفحص الجيني وأبحاث الاستنساخ.
كيف تجد إبرة في كومة قش؟
غالبًا ما يواجه الباحثون في علم الأحياء مشكلة مماثلة، حيث يتعين عليهم فحص ملايين الخلايا المختلفة، والعثور على الخلية الواحدة التي تختلف عن جميع الخلايا الأخرى، وفصلها عن الخلايا الأخرى. والآن تم اختراع طريقة فرز جديدة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، والتي تستخدم شعاع الليزر لفصل الخلايا.
ويدعي المطوران - جويل والدمان، أستاذ الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وجوزيف كوفاتش، طالب دراسات عليا في نفس القسم - أن النظام يمكنه فرز ما يصل إلى 10,000 خلية على شريحة مجهرية قياسية، مما يفتح الباب لإجراء دراسات بيولوجية جديدة، والتي لم تكن ممكنة حتى الآن. التطبيقات الممكنة هي في الاختبارات السريرية والتشخيص والفحص الجيني وأبحاث الاستنساخ. تتطلب كل هذه الحقول اختيار الخلايا ذات خصائص معينة. تم وصف النظام في مقال رئيسي في مجلة الكيمياء التحليلية المنشورة في 15 ديسمبر.
في الطرق المستخدمة اليوم، يتم استخدام علامة الفلورسنت (التوهج) لتحديد بعض البروتينات التي تظهر فقط على الخلايا التي تريد وضع علامة عليها. يتيح النظام الجديد فرزًا أكثر دقة، من خلال فصل الخلايا ليس فقط بناءً على مستوى الضوء الذي تنبعث منه، ولكن أيضًا بناءً على الأنشطة المختلفة التي تحدث في مناطق معينة من الخلية، مثل النواة. ويمكن للنظام أيضًا اكتشاف سرعة رد فعل الخلايا، أو المدة التي تستغرقها التفاعلات.
يقول والدمان: "أردنا أن ننظر إلى الأشياء الموجودة داخل الخلية والتي تتغير بمرور الوقت، أو الموجودة في أماكن معينة". مع تقنيات اليوم ليس من الممكن فصل الخلايا وفقا لهذه الميزات.
ويسمح النظام الجديد، على سبيل المثال، بفصل الخلايا حسب سرعة تفاعلها مع مادة مفلورة معينة. يقول والدمان: "سيكون النظام قادرًا على تحديد الخلايا التي تستجيب بسرعة أو ببطء، وقياس الفرق". "يبدو أنها مهمة بسيطة، ولكنها في الحقيقة ليست كذلك." هناك طرق أخرى لفصل الخلايا بطريقة مماثلة، ولكنها تتطلب معدات معقدة ومكلفة، أو محدودة بعدد الخلايا التي يمكن العمل عليها.
يستخدم النظام الجديد طبقة سيليكون شفافة متصلة بزجاج المجهر القياسي. تم تصميم العديد من الثقوب الصغيرة داخل طبقة السيليكون، وهي في الواقع مصائد صغيرة يتم احتجاز الخلايا فيها عند نقلها إلى الزجاج من المحلول. تجد كل خلية ثقبًا صغيرًا آخر لنفسها وتُحاصر بالداخل. يمكن فرز ما يصل إلى 10,000 خلية على شريحة مجهرية واحدة.
ويمكن للفني الذي ينظر من خلال المجهر فحص كل خلية وتحديد خصائصها. ويمكنه تحديد، على سبيل المثال، ما إذا كانت أجزاء مختلفة من الخلية تتوهج نتيجة لصبغ الفلورسنت، أو السرعة التي تمتلئ بها الخلية بالفلورسنت - أي المعدل الذي تلتصق به علامة الفلورسنت بالعوامل المختلفة في خلية. يمكن لبرنامج كمبيوتر بسيط إجراء نفس التشخيصات. ويتم تحديد موضع الخلايا المختلفة بواسطة الكمبيوتر، وفي نهاية عملية وضع العلامات المحوسبة، يتم تفعيل عملية الاختيار العملي. يتم طرح جميع الخلايا المحددة خارج مصائدها. يتم تنفيذ التحليق بواسطة شعاع ليزر مركّز، والذي يتم تشغيله بطاقة منخفضة. نظرًا لصغر حجم الخلايا، يمكن لشعاع الضوء المركز أن يدفعها للأعلى، خارج الخنادق التي تم احتجازها فيها. ومنذ لحظة خروج الخلايا من الثقوب، يتم حقن سائل يجرف الخلايا المعلقة إلى وعاء منفصل.
على الرغم من أن الليزر قادر على تطبيق القوة على الخلايا، إلا أنه ليس لديه طاقة كافية لإيذاءها. وحتى بعد الانفصال، تظل الخلايا التي تم تطبيق الليزر عليها حية وسليمة، وقادرة على الانقسام ومواصلة نشاطها البيولوجي الطبيعي.
استخدامات النظام عديدة. ويمكن أن يكون أحد الاستخدامات الرئيسية هو فصل أنواع مختلفة من الخلايا التي تم إنشاؤها من خلية جذعية واحدة، وبالتالي تبسيط عملية الاستنساخ الطبي. الاستخدام الآخر المحتمل هو فصل الخلايا المكتشفة في اختبارات الدم المختلفة. يمكن أن يؤدي هذا الإجراء أيضًا إلى اختيار خلايا الدم الحمراء التي تحمل طفيليات الملاريا، مما يسمح بإجراء بحث أفضل عن المرض. هناك احتمال آخر يتمثل في دراسة العمليات داخل الخلايا، حيث يستطيع النظام التمييز بين العمليات التي تحدث في جسم الخلية والعمليات التي تؤثر على أهم كنز للخلية: الحمض النووي الموجود داخل النواة نفسها، والذي يحتوي على تعليمات التشغيل للخلية. الخلية بأكملها. إذا تم استخدام مجهر قوي بما فيه الكفاية، فمن المحتمل جدًا أن يكون النظام قادرًا على التمييز بين الخلايا في مراحل مختلفة من تلقي الإشارات من خارج الخلية، وبالتالي تقدم علم البيولوجيا الجزيئية.
يواصل والدمان وكوفاتش تحسين النظام، حيث يركز العمل حاليًا على سهولة الاستخدام وتحسين عقم النظام. يقول والدمان إنه على عكس تقنيات الفصل الباهظة الثمن الأخرى، مثل الملقط البصري الذي لا يمكن العثور عليه إلا في مراكز الأبحاث الكبيرة، فإن النظام الجديد يمكن أن يكلف بضعة آلاف من الدولارات فقط. ويتوقع أنه يمكن استخدامها في العديد من مختبرات البحوث البيولوجية، وحتى في العيادات السريرية.
الصورة 1: طور معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نظامًا جديدًا لاختيار الخلايا، والذي يشتمل على "فخاخ" خاصة في طبقة السيليكون المرتبطة بزجاج المجهر. يتم إجبار الخلايا ذات الخصائص المرغوبة على الخروج من حفرها بمساعدة الضغط الذي يمارسه شعاع ليزر مركز منخفض الطاقة. بعد أن يتم تعويم الخلايا من الثقوب، يتم غسل طبقة السيليكون بسائل يجرف الخلايا إلى حاوية منفصلة. الصورة مجاملة من جوزيف كوفاتش، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
تعليقات 5
جائزة نوبل؟
شكرا. من الجميل دائمًا أن تكون على حق.
"وعندما انتهيت من الخبر نظرت إليه مرة أخرى وقلت لنفسي إن هذا اختراع لن يعتبره معظم قراء "هيدان" شيئًا كبيرًا".
صحيح.
نعم فعلا.
وعندما انتهيت من الخبر نظرت إليه مرة أخرى وقلت لنفسي إنه اختراع لا يعتبره معظم قراء "هيدان" شيئًا كبيرًا. لكن علماء الأحياء مثلي ومثلك، الذين يتعين عليهم التعامل مع المجاهر الفلورية، وFACS، وELIZA وما شابه، سوف يعتبرون ذلك بمثابة هبة من السماء.
وبطبيعة الحال، عليك أن تنتظر وترى أين ستصل الأمور. لدي شعور بأنه سيستغرق بعض الوقت قبل أن نتمكن من رؤية الاختراع في مختبرات خارج معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
مذهلة وعبقرية في بساطتها! حتى اليوم كنا نستخدم أجهزة FACS لفرز ما يصل إلى 4 خلايا، وذلك أيضًا في أفضل الأحوال. يمكنني التفكير في العديد من الطرق للاستفادة من هذا النظام البسيط. أولئك الذين يمكنهم تطبيقه سيكونون محظوظين جدًا في العام المقبل.