وستساعد التقنية الجديدة في رسم خرائط للخلايا العصبية في الدماغ وتحديد الخلايا السرطانية
قام فريق بحث متعدد التخصصات من التخنيون بتطوير جزيئات نانوية من شأنها تحسين جودة عمليات فحص الدماغ. وذلك من خلال الجمع بين المسح بالرنين المغناطيسي والتصوير المجهري الضوئي. الباحثون، وجميعهم أعضاء في معهد راسل بيري لتقنية النانو (RBNI)، هم البروفيسور ليلاش أميراف من كلية شوليش للكيمياء، والدكتور شاي برلين والبروفيسور إيتامار خان من كلية الطب في رابابورت. وقد لعب الدكتور سانديب الفهري وشونيت أولشيكار، طالب الدكتوراه في مختبر الدكتور برلين، دورًا مركزيًا في العمل.
يعد مسح الأنسجة البيولوجية في التصوير بالرنين المغناطيسي (التصوير بالرنين المغناطيسي) تقنية غير جراحية أحدثت ثورة في عالم الطب، حيث تقدم صورة واسعة وعميقة للأنسجة والأعضاء وحتى الجسم بأكمله. عيبه هو أنه لا يوفر دقة عالية على مستوى الخلية المفردة. من ناحية أخرى، فإن المجهر الضوئي قادر على توفير مستوى عالٍ من الانفصال، على مستوى الخلايا الفردية، ولكنه يتطلب اختراق الأنسجة.
وعلى هذه الخلفية، تعمل فرق البحث حول العالم على تطوير تقنية تجمع بين التصوير بالرنين المغناطيسي والمجهر الضوئي، ليكون الناتج الناتج صورة واسعة ذات دقة عالية. في فحص الدماغ، على سبيل المثال، سيسمح المجهر برسم خرائط للخلايا الفردية، في حين سيوفر التصوير بالرنين المغناطيسي صورة الدماغ بأكمله. إن الجمع الفعال بين التقنيتين، والذي يُطلق عليه التصوير في الجسم الحي ثنائي الوسائط، سيمنح الباحثين والأطباء أفضل ما في العالمين.
يمثل هذا المزيج تحديًا تكنولوجيًا معقدًا للغاية، لذا فإن حله يتطلب تعاونًا متعدد التخصصات يجمع بين القدرات في العديد من المجالات، بما في ذلك الكيمياء والبيولوجيا الجزيئية والخلوية وفيزياء التصوير بالرنين المغناطيسي والعلوم الطبية - وهو تعاون تم تحقيقه مؤخرًا في فريق أبحاث التخنيون. ووفقا للبروفيسور أميراف، "كان التحدي الرئيسي هو تطوير وإنتاج جزيئات يمكن استخدامها كعلامات ثنائية، أي جزيئات تلون الخلايا بإشارة يمكن رؤيتها باستخدام جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي والمجهر الضوئي في نفس الوقت". وقت." وبحسب البروفيسور أميراف، فإن الحلول التي سبق اختبارها في العالم شملت محاولات ربط جزيئات من نوع أكسيد الحديد، والتي يمكن محاكاتها في التصوير بالرنين المغناطيسي، بمواد باعثة للضوء يمكن رؤيتها بالمجهر الضوئي. المشكلة هي أن الاتصال المباشر بين المادتين يؤدي إلى فقدان انبعاث الضوء وبالتالي تحييد العلامة الخاصة بالمجهر الضوئي. يتضمن الحل البديل الذي تم طرحه مؤخرًا رابطًا متعدد الجسيمات (كل من التصوير بالرنين المغناطيسي وعلامات الفحص المجهري الضوئي). على الرغم من بعض النجاح في تحقيق هذا التصميم، فإن حجم المادة الرابطة يزيد من سميتها، ويحد من دخولها إلى الأنسجة البيولوجية المختلفة وقد يؤثر بشكل كبير على مدة بقائها في الأنسجة أو الخلية (أي الوقت الذي يمكن فيه إجراء التصوير). .
في مقالتين منشورتين مؤخرًا، لخص فريق أبحاث التخنيون نجاحه في تطوير جزيئات نانومترية تعمل كعلامات ثنائية فعالة تلبي الحاجة المذكورة أعلاه. ويبلغ حجم كل جسيم حوالي 10 نانومتر، ويتكون من كرة مجوفة من أكسيد الحديد يطفو بداخلها جسيم باعث للضوء. هذا الهيكل، الذي يشبه البيضة، ذو القشرة المجوفة والقلب الداخلي، يمنع الاتصال المباشر بين المواد المختلفة، وبالتالي يسمح بالحفاظ على خصائص كل مكون من المكونات، ويحافظ بشكل خاص على انبعاث الضوء الضروري للتصوير في المجهر الضوئي.
في المقال الأول الذي نشر في مجلة كيمياء المواد، قدم البروفيسور أميراف والبروفيسور خان الجسيم الصغير وإمكانية تطبيقه البيولوجي. والآن، وبعد انضمام الدكتور برلين إلى البحث، تمت إضافة المكون البيولوجي إلى الجسيم. في المقالة الحالية، المنشورة في مجلة Frontiers in Neuroscience، تعرض الثلاثة صور ثنائية النمط في الخلايا الحية والتقدم التجريبي الذي تم تحقيقه في الأشهر الأخيرة.
يوضح الدكتور برلين: "بعد التطوير الناجح للجسيمات ثنائية النسق الصغيرة، أي الجسيمات التي يمكن قراءتها بواسطة التصوير بالرنين المغناطيسي والمجهر الضوئي، أضفنا هوية بيولوجية إليها". "يتم ذلك عن طريق طلاء الجزيئات بقشرة بيولوجية تسمح بإدخالها إلى الخلية. بمعنى آخر، لقد أنشأنا كيانات تعرف كيفية التنقل داخل الخلايا، وفي المستقبل سنكون قادرين على ضبط الغلاف للسماح لك بوضع علامة على خلايا معينة. تظهر الجسيمات ثنائية النسق التي أنشأناها بالمجهر الضوئي وفي التصوير بالرنين المغناطيسي، ويمنحها حجمها الصغير ميزة أخرى ملحوظة: فهي تعرف كيفية اختراق الخلايا المستهدفة والتراكم فيها، وهي ميزة تسمح لنا بمسحها بشكل انتقائي في التصوير بالرنين المغناطيسي. والمجهر الضوئي لفترة طويلة من الزمن."
ويشير الباحثون إلى أن البحث لا يزال قيد التقدم. وتقدم المقالات الحالية دليلاً على جدوى وظيفة الجسيمات وتوافقها البيولوجي وقدرتها على اختراق الخلايا، وخاصة الخلايا السرطانية والخلايا العصبية. وتواصل المجموعات البحثية العمل على تصميم وتطوير جزيئات جديدة ومتطورة متعددة الأغراض وطرق إدخالها إلى الخلايا بطريقة مستهدفة وانتقائية. وفقًا للدكتور برلين، "من أجل تحديد الخلايا المستهدفة حتى تتمكن جزيئاتنا من الانتقال إليها، فإننا نعمل على تطوير طرق مبتكرة لتحديد خلايا مختارة بفيروسات معدلة هندسيًا، بحيث تؤدي العدوى الفيروسية في تلك الخلايا إلى التعبير عن "بروتين هوائي" يجذب ويمتص الجزيئات ويسمح بتصوير طويل ومحدد."
على الرغم من أن نطاق التطبيقات المحتمل واسع، إلا أن فريق البحث المشترك يهتم في المقام الأول بالدماغ. يوضح البروفيسور كان: «يوجد في الدماغ مليارات الخلايا من أنواع مختلفة: الخلايا المثيرة، والخلايا الكابتة، والخلايا الداعمة. ولهذا السبب فإن قدرتنا على التمييز بين مجموعات الخلايا المختلفة أمر مهم. ولهذا، من الضروري وضع علامة واضحة على الخلايا المرتبطة ببعض الأمراض التنكسية العصبية، على سبيل المثال مرض باركنسون. إن الجسيمات متعددة الوظائف التي قمنا بتطويرها ستجعل هذا ممكنًا. سنقوم بتحديد مجموعة محددة من الخلايا، ونرسل جزيئاتنا إليها ونتابعها مع مرور الوقت باستخدام المراقبة المزدوجة في التصوير بالرنين المغناطيسي والفحص المجهري.
وقد تساعد التكنولوجيا الجديدة أيضًا في تحديد الخلايا السرطانية وعلاجها. يقول الدكتور برلين: "إذا جعلنا الخلايا السرطانية تعبر عن نفس البروتين الهوائي، فسوف تتراكم جزيئاتنا فيها، وبالتالي يمكننا تحديد موقع الخلايا السرطانية بدقة في فحص التصوير بالرنين المغناطيسي ومهاجمتها بدقة".
تم إجراء البحث في إطار معهد راسل بيري لتكنولوجيا النانو (RBNI) ومركز لوري لوكي متعدد التخصصات لعلوم الحياة والهندسة، وتم تمويله من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (ISF)، والمعاهد الأمريكية للصحة (NIH)، ومؤسسة العلوم الوطنية (ISF)، والمعاهد الأمريكية للصحة (NIH). مؤسسة أديليس ومركز الأمير لدراسة الأمراض التنكسية العصبية.
