مجهر مبتكر لإنشاء صور ثلاثية الأبعاد

لقد تمكن العلماء من توضيح كيفية عمل إحدى الطرق لإنشاء صور ثلاثية الأبعاد للهياكل البيولوجية في ظل الظروف العادية مع الحصول على دقة أعلى بكثير من الطرق الأخرى الموجودة. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في فهم كيفية تواصل الخلايا مع بعضها البعض وتوفير رؤى مهمة للمهندسين الذين يقومون بتطوير الأعضاء الاصطناعية، مثل أنسجة الجلد والقلب.

تمكن علماء من جامعة تكساس من توضيح كيفية عمل طريقة لإنشاء صور ثلاثية الأبعاد للهياكل البيولوجية في ظل الظروف العادية مع الحصول على دقة أعلى بكثير من الطرق الأخرى الموجودة. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في فهم كيفية تواصل الخلايا مع بعضها البعض وتوفير رؤى مهمة للمهندسين الذين يقومون بتطوير الأعضاء الاصطناعية، مثل أنسجة الجلد والقلب. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Nature Communications.

واستخدم العلماء، بقيادة عالم الفيزياء إرنست لودفيج فلورين، طريقتهم المبتكرة، المعروفة باسم "التصوير بالضوضاء الحرارية"، من أجل الحصول على صور على مستوى النانومتر لشبكات ألياف الكولاجين، التي تعد جزءًا من النسيج الضام الموجود في الجلد. ل . إن فحص ألياف الكولاجين على هذا المقياس يسمح للعلماء بقياس الخصائص الرئيسية التي تؤثر على مرونة الجلد، لأول مرة على الإطلاق، وهي نتائج يمكن أن تؤدي إلى تحسين تصاميم أنسجة الجلد الاصطناعية. يعد الحصول على صور واضحة ثلاثية الأبعاد للهياكل النانوية في العينات البيولوجية تحديًا صعبًا، ويرجع ذلك جزئيًا إلى ميل الهياكل البيولوجية إلى أن تكون مرنة ومغمورة في محلول سائل. وهذا يعني أن التغيرات الطفيفة في الحرارة تتسبب في تحرك الهياكل ذهابًا وإيابًا، وهي نتيجة تُعرف باسم "الحركة البراونية". ومن أجل التغلب على التشويش في الصورة الذي تنتجه هذه النتيجة، غالباً ما يتم استخدام طرق تصوير أخرى تهدف إلى تصحيح الصور الناتجة عن طريق إضافة مواد كيميائية تؤدي إلى تصلب الهياكل المختلفة، ولكن في هذه الحالات تفقد المواد شكلها الطبيعي. والخصائص الميكانيكية الأصلية. يمكن للعلماء أحيانًا تصحيح التمويه إذا ركزوا على الهياكل الصلبة المرتبطة بالأسطح، مثل الزجاج، لكن هذا القياس يحد من أنواع الهياكل التي يمكن دراستها.

اتخذ العلماء نهجا مختلفا. ومن أجل الحصول على صورة، أضافوا كرات نانوية - حبات بحجم نانومتر تعكس إشعاع الليزر من سطحها - إلى العينات البيولوجية في ظل الظروف الطبيعية، وأطلقوا شعاع ليزر على العينة أثناء التقاط صور فائقة السرعة للغلافات النانوية كما هي. ينظر إليها من خلال المجهر الضوئي العادي. يشرح العلماء أن طريقتهم، المتمثلة في محاكاة الضوضاء الحرارية، تعمل على النحو التالي: تخيل أنك بحاجة إلى التقاط صورة ثلاثية الأبعاد لغرفة في ظلام دامس. إذا قمت برمي كرة مطاطية متوهجة في غرفة واستخدمت الكاميرا لتجميع سلسلة من اللقطات فائقة السرعة للكرة التي يتم رميها عبر الغرفة، فستلاحظ أنها غير قادرة على المرور عبر الأشياء الصلبة مثل الطاولات والكراسي. إن الجمع بين الملايين من هذه الصور التي تم جمعها بهذه الطريقة سيجعل من الممكن إنشاء صورة للأشياء الموجودة في الغرفة المظلمة (النقاط في الفضاء التي لم تمر فيها الرصاصة) وبقية المساحة التي لا توجد فيها أشياء (النقاط في الفضاء التي تمكنت الرصاصة من المرور منها). وفي طريقة التصوير بالضوضاء الحرارية، فإن البديل عن الكرة المطاطية هو الكرة النانوية التي تتحرك عبر الفضاء بحركة براونية طبيعية. يقول الباحث الرئيسي: "تمثل هذه التقلبات الفوضوية مصدر إزعاج خطير في معظم طرق الفحص المجهري لأنها تتسبب في تشويش الصورة". "ومن ناحية أخرى، استخدمنا هذه الفوضى لصالحنا. بالإضافة إلى ذلك، لا نحتاج إلى تطوير آلية معقدة لتحريك كاشفنا. نحن نجلس بشكل مريح ونترك الطبيعة تقوم بعملها."

تم نشر الفكرة الأصلية لطريقة التصوير بالضوضاء الحرارية وحصلت على براءة اختراع في وقت مبكر من عام 2001، لكن التحديات التقنية حالت دون أن تصبح عملية تطبيقية كاملة الوظائف حتى اليوم. تتيح الوسيلة الجديدة للباحثين، ولأول مرة على الإطلاق، قياس الخواص الميكانيكية لألياف الكولاجين في الأنظمة البيولوجية. الكولاجين هو بوليمر حيوي يخلق سقالات للخلايا في الجلد ويساهم في مرونة الجلد. لا يزال العلماء غير متأكدين من كيفية قيام شبكة الكولاجين بزيادة مرونة الجلد، وهو سؤال مهم يتطلب إجابة إذا أردنا تطوير أنسجة جلدية صناعية تعمل بشكل صحيح. وقال الباحث: "إذا كنت تريد صنع جلد صناعي، عليك أن تفهم التفاعلات بين المكونات الطبيعية". "في الخطوة التالية، سيكون من الممكن تصميم شبكة كولاجين أفضل تعمل كسقالة تشجع الخلايا على النمو بشكل صحيح."

أخبار الدراسة

المقال الأصلي