قام فريق من الكيميائيين من جامعة هارفارد بتطوير طريقة مجهرية مبتكرة لمراقبة الجزيئات غير الفلورية بالألوان في درجة حرارة الغرفة.
قام فريق من الكيميائيين من جامعة هارفارد بقيادة الباحث X. Sunney Xie بتطوير طريقة مجهرية مبتكرة للمراقبة بالألوان للجسيمات غير الفلورية. وتسمح هذه الطريقة، التي يتم إجراؤها في درجة حرارة الغرفة، للباحثين بتحديد أنماط لم يكن من الممكن رؤيتها من قبل في الكائنات الحية، وتوفر القدرة على تطوير مجموعة متنوعة من التطبيقات في التصوير الطبي الحيوي والبحث العلمي.
الفلورة هي ظاهرة يمتص فيها الإلكترون الموجود في الذرة طاقة إضافية من إشعاع الضوء الخارجي وينتقل إلى مستوى طاقة أعلى، وهو المستوى المثار. توجد الطاقة الضوئية في وحدة تسمى الفوتون. وبعد إقامة قصيرة في الحالة المثارة، يعود الإلكترون إلى مستوى طاقته الأصلي، وهو مستوى الأرض، بينما ينبعث منه فوتون. وتوجد طاقة الفوتون المنبعث في الأطوال الموجية للضوء المرئي بالعين البشرية، ولكن هذا الضوء موجود لفترة قصيرة جدًا تبلغ جزءًا من مليار من الثانية.
العديد من الجزيئات البيولوجية الملونة المهمة، مثل الهيموجلوبين - وهو البروتين الذي ينقل الأكسجين ويوجد في خلايا الدم الحمراء - تمتص الضوء ولكنها لا تنبعث منها إشعاعات الفلورسنت. وفي المقابل، تبعث الإلكترونات الموجودة في هذه الجسيمات طاقتها الزائدة عن طريق تحويلها إلى حرارة. يوضح الباحث الرئيسي: «نظرًا لأن هذه الجسيمات لا تنبعث منها إشعاعات، فهي غير مرئية عمليًا للمجاهر الضوئية المعاصرة». ومن أجل الكشف عن هذا النوع من الانفصال في الأنظمة البيولوجية، قام فريق البحث بتطوير نوع متطور من الفحص المجهري يعتمد على انبعاث الفوتون القسري.
تم وصف الانبعاث القسري للفوتون لأول مرة من قبل ألبرت أينشتاين في وقت مبكر من عام 1917، وهو في الأساس عملية ينتقل فيها النظام الكمي من حالة الطاقة العالية إلى حالة الطاقة المنخفضة عن طريق انبعاث الضوء نتيجة التفاعل مع الطاقة. المجال الكهربائي المحيط. والفوتون المنبعث هو نفسه الفوتونات المسببة للانبعاث من حيث الاستقطاب والاتجاه والتردد والورود. يمكن رؤية الانبعاث القسري كآلية تضخيم للضوء: يدخل فوتون واحد ويخرج فوتونان. هذه المضاعفة هي أساس مبدأ تشغيل الليزر، وكذلك المضخمات الضوئية.
تقوم طريقة الفحص المجهري الجديدة بتوليد وتسجيل إشارة الانبعاث القسري من خلال استخدام مسارين للإشارة، الإدخال والإخراج، ويتم تنسيقهما مع بعضهما البعض على فترات زمنية دقيقة للغاية. في مسار إشارة الإدخال، يقوم المغير بتبديل شدة الشعاع المحفز للتشغيل/الإيقاف بتردد قدره خمسة ميجاهرتز. يولد هذا التعديل إشارة انبعاث قسري على نفس التردد. كل من هذه الإشارات لها مدة نبضة قصيرة جدًا تبلغ حوالي مائتي فمتوثانية. توفر الإشارة المنبعثة من هذه الجسيمات غير المشعة في الأصل صورة عالية الحساسية للجسيمات التي كانت غير مرئية في السابق.
أحد التطبيقات العديدة المحتملة لهذا الاختراع هو رسم الخرائط الملونة لحركة الأدوية غير المشعة إلى الخلايا المستهدفة. الاستخدام الآخر المحتمل هو تصوير الهياكل الصغيرة للغاية مثل الأوعية الدموية، بما في ذلك خلايا الدم الحمراء والشعيرات الدموية الفردية.
تلعب بنية وحركة بروتينات الهيموجلوبين في الأوعية الدموية المختلفة دورًا مهمًا في العديد من العمليات الطبية الحيوية. مثالان على هذه العمليات هما انتقال الأورام من حالتها الخاملة إلى حالتها الخبيثة وإمداد الدماغ بالأكسجين.
إن طرق التصوير الطبي الحالية مثل التصوير بالرنين المغناطيسي والماسحات الضوئية المقطعية إما تفتقر إلى الدقة المكانية اللازمة لعرض الأوعية الدموية الفردية أو تتطلب عوامل تباين خارجية. تعد علامات الفلورسنت مثل "بروتين الفلورسنت الأخضر" (GFP) أكثر شيوعًا لمراقبة نشاط الجزيئات الحيوية وتحديد الجزيئات المستهدفة في الخلايا. توفر طريقة وضع العلامات على هذا البروتين صورًا واضحة جدًا. وعلى الرغم من ذلك، فإن التركيب الحجمي للبروتين قد يتداخل مع النشاط والمسارات البيولوجية الدقيقة، خاصة عندما يكون أكبر من الجزء الحيوي الذي تم اختباره. وتمكن فريق البحث من رسم خريطة لمسار جزيئات الدواء غير المشعة والبنية التفصيلية للأوعية الدموية دون استخدام علامات الفلورسنت. طريقتهم المبتكرة قادرة أيضًا على رسم خريطة للبروتينات غير المشعة في الخلايا الحية لبكتيريا الإشريكية القولونية.
يوضح أحد الباحثين في الفريق: "بينما استخدمت الدراسات السابقة تجارب مماثلة للحصول على صور تم حلها مكانيًا للأخاديد المشععة، استخدمت دراستنا، لأول مرة على الإطلاق، الفحص المجهري للانبعاث القسري لتصوير الأخاديد غير المشعة".
على الرغم من أنه لا يزال من الضروري التغلب على إمكانية تلف الفوتون، والتعقيد والتكلفة العالية للنظام حتى يكون أكثر قابلية للتطبيق، "ليس هناك شك في أن بحثنا يوفر وسيلة فريدة لتصوير مجموعة واسعة من الحيوانات "، وهي غير مناسبة حاليًا للعرض حتى باستخدام المجاهر الضوئية الأكثر تقدمًا،" يشير الباحث ويضيف الباحث الرئيسي: "هذه مجرد البداية". "من المتوقع أن تنمو العديد من التطبيقات المثيرة للاهتمام من خلال هذه الأداة المبتكرة."
ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية نيتشر.
תגובה אחת
يبدو من الصورة أن هذه الدقة تدور حول بضعة ميكرونات وهذه بالتأكيد زيادة مثيرة للإعجاب مقارنة بالتصوير بالرنين المغناطيسي الذي يعطي دقة تبلغ حوالي 40 ميكرون. ومع ذلك، فهذه هياكل كبيرة جدًا، وبالتأكيد ليست داخل الخلايا (باستثناء الخلايا الكبيرة جدًا). إنها تقنية مثيرة جدًا للاهتمام وأرى العديد من التطبيقات لها في سياق علم الأحياء الدقيقة البيئي، وهو المجال الذي أتعامل فيه بنفسي. وأتساءل عن مدى تكلفة هذا الجهاز (أعتقد أنه يجب أن يكون حوالي خمسة ملايين يورو) ومدى سرعة اقتناع الباحثين بوجود إمكانية هنا من شأنها أن تعيد الاستثمار. في النهاية، إنه اختراع عظيم ولكنه ربما لن يكسر الكثير من الحدود في علم الأحياء التي تحتاج إلى دقة أقل من الميكرون.