دیدن سلول‌ها در عمق با لیزر! انقلاب جدید MIT برای درمان بیماری‌ها

تصویربرداری متابولیک: یه روش جدید از MIT برای دیدن عمیق‌تر بافت‌های زنده

تصویربرداری متابولیک یه روشِ غیرتهاجمیه که به دکترها و دانشمندا کمک می‌کنه با استفاده از نور لیزر، سلول‌های زنده رو بررسی کنن. این روش می‌تونه توی ارزیابی پیشرفت بیماری و جواب دادن به درمان‌ها خیلی کمک‌کننده باشه. اما وقتی نور به بافت‌های بیولوژیکی می‌خوره، پخش می‌شه و همین باعث می‌شه نور کمتر نفوذ کنه و تصاویر با کیفیت کمتری ثبت بشن. حالا محققای MIT یه روش جدید ابداع کردن که عمق نفوذ تصویربرداری متابولیک رو بیشتر از دو برابر می‌کنه. این روش سرعتِ تصویربرداری رو هم زیاد می‌کنه و تصاویر با جزئیات و دقیق‌تری ارائه می‌ده.

این روش جدید نیازی به آماده‌سازی قبلی بافت نداره، مثل اینکه بافت رو ببرن یا با رنگ، رنگ‌آمیزی‌ش کنن. در عوض، یه لیزر مخصوص به عمق بافت تابیده می‌شه و باعث می‌شه بعضی از مولکول‌های خودِ سلول‌ها و بافت‌ها شروع به نور دادن کنن. این کار نیاز به تغییر دادن بافت رو از بین می‌بره و یه تصویر طبیعی‌تر و دقیق‌تر از ساختار و عملکردش نشون می‌ده. محققین با تنظیم نور لیزر برای بافت‌های عمیق، به این موفقیت رسیدن. با استفاده از یه شکل‌دهنده فیبر که اخیراً ساخته شده و با خم کردنش کنترل می‌شه، می‌تونن رنگ و پالس‌های نور رو تنظیم کنن تا پراکندگی رو به حداقل برسونن و سیگنال رو وقتی نور داره به داخل بافت نفوذ می‌کنه، به حداکثر برسونن. این کار بهشون این امکان رو می‌ده که به عمق بیشتری توی بافت‌های زنده نفوذ کنن و تصاویر واضح‌تری بگیرن.

نفوذ بیشتر، سرعت بالاتر و وضوح بیشتر، این روش رو برای کاربردهای تصویربرداریِ سخت مثل تحقیقات سرطان، مهندسی بافت، کشف دارو و مطالعه‌ی پاسخ‌های ایمنی خیلی مناسب می‌کنه. «این یه پیشرفت چشمگیر تو زمینه عمق نفوذ برای تصویربرداری متابولیک بدون رنگه. این روش، راه‌های جدیدی رو برای مطالعه و بررسیِ چگونگی تغییرات متابولیک توی سیستم‌های زنده باز می‌کنه.» این حرفای سی‌شیان یو است، استادیار دپارتمان مهندسی برق و علوم کامپیوتر (EECS) و نویسنده ارشد مقاله‌ای درباره این روش تصویربرداری هست. اون تو این مقاله با نویسنده اصلی، کونزان لیو، دانشجوی دکتری EECS؛ تونگ کیو، پژوهشگر پسادکتری MIT؛ هونگهاو کائو، دانشجوی دکتری EECS؛ فن وانگ، استاد علوم مغز و شناخت؛ راجر کام، استاد بازنشسته مهندسی زیستی و مکانیکی؛ و لیندا گریفیت، استاد نوآوری آموزشی توی دپارتمان مهندسی زیستی و همکارای دیگه از MIT کار کرده. این تحقیق قراره توی مجله‌ی Science Advances چاپ بشه.

تصویربرداری بدون رنگ

این روش جدید توی دسته تصویربرداری‌های بدون رنگ قرار می‌گیره، یعنی قبل از تصویربرداری، بافت رنگ نمی‌شه. رنگ‌آمیزی باعث ایجاد تضاد می‌شه که به زیست‌شناس‌ها کمک می‌کنه هسته‌های سلولی و پروتئین‌ها رو بهتر ببینن. اما رنگ‌آمیزی معمولاً نیاز به تکه تکه کردن و بریدن نمونه داره، که این فرآیند معمولاً باعث مرگ بافت می‌شه و مطالعه‌ی فرآیندهای پویا توی سلول‌های زنده رو غیرممکن می‌کنه. توی روش‌های تصویربرداری بدون رنگ، محقق‌ها از لیزرها استفاده می‌کنن تا به مولکول‌های خاص داخل سلول‌ها نور بتابونن که باعث می‌شه اون‌ها نورهای مختلفی رو ساطع کنن که محتوای مولکولی و ساختارهای سلولی مختلف رو نشون می‌ده. با این حال، ساختن لیزر ایده‌آل با طول موج‌ها و پالس‌های خاص و با کیفیت بالا برای تصویربرداری از بافت‌های عمیق، یه چالش بزرگ بوده. محقق‌ها یه روش جدید برای غلبه بر این محدودیت ابداع کردن. اونها از یه فیبر چند حالته استفاده می‌کنن، که یه نوع فیبر نوری‌ـه که می‌تونه مقدار زیادی انرژی رو منتقل کنه و می‌تونن اون رو با یه دستگاه جمع‌وجور به اسم «شکل‌دهنده فیبر» ترکیب کنن.

شکل‌دهنده جدید فیبر نوری برای تصویربرداری متابولیک عمیق

این شکل‌دهنده به محققین این امکان رو می‌ده که به‌طور دقیق، انتشار نور رو با تغییر شکل فیبر، تنظیم کنن. خم کردن فیبر باعث تغییر رنگ و شدت لیزر می‌شه. محققین با تکیه به کارهای قبلی‌شون، اولین مدل شکل‌دهنده فیبر رو برای تصویربرداری متابولیک چند وجهیِ عمیق‌تر توسعه دادن. کائو می‌گه: «ما می‌خوایم کل این انرژی رو به رنگ‌هایی که لازم داریم، با مشخصاتِ پالس مورد نظر هدایت کنیم. این کار، بازدهیِ بالاتری رو به ما می‌ده و یه تصویر واضح‌تر، حتی تو عمق بافت‌ها، نشون می‌ده.»

بعد از ساخت این مکانیزمِ قابل کنترل، اونا یه پلتفرم تصویربرداری ساختن تا از یه منبع لیزر قدرتمند برای تولید طول‌موج‌های بلندتر نور استفاده کنن که برای نفوذ عمیق‌تر به بافت‌های بیولوژیکی لازمه. لیو می‌گه: «ما معتقدیم این فناوری، پتانسیل زیادی برای پیشرفتِ تحقیقاتِ بیولوژیکی داره. با در دسترس قرار دادنش برای آزمایشگاه‌هایِ زیست‌شناسی، امیدواریم به دانشمندا ابزاری قدرتمند برای کشف‌های جدید بدیم.»

کاربردهای پویا

وقتی محققین دستگاه تصویربرداری‌شون رو آزمایش کردن، نور تونست بیشتر از ۷۰۰ میکرومتر به داخل یه نمونه بیولوژیکی نفوذ کنه، در حالی که بهترین روش‌های قبلی فقط تونسته بودن حدود ۲۰۰ میکرومتر نفوذ کنن. لیو اضافه می‌کنه: «با این مدل جدید تصویربرداری عمیق، می‌خوایم به نمونه‌های بیولوژیکی نگاه کنیم و چیزی رو ببینیم که تا حالا ندیدیم.»

این روش تصویربرداری عمیق بهشون این امکان رو داد که سلول‌ها رو توی چندین سطح مختلف داخل یه سیستم زنده ببینن، که این می‌تونه به محقق‌ها کمک کنه تا تغییرات متابولیک که توی عمق‌های مختلف اتفاق می‌افتن رو مطالعه کنن. علاوه بر این، سرعت بالاتر تصویربرداری بهشون این امکان رو می‌ده که اطلاعات دقیق‌تری درباره‌ی اینکه چطور متابولیسم یه سلول روی سرعت و جهت حرکتش تأثیر می‌ذاره، جمع‌آوری کنن.

این روش جدید تصویربرداری می‌تونه به مطالعه‌ی ارگانوئیدها کمک کنه، که همون سلول‌های مهندسی‌شده هستن که می‌تونن ساختار و عملکرد ارگان‌ها رو شبیه‌سازی کنن. محققین توی آزمایشگاه‌هایِ کَم و گریفیت دارن روی توسعه‌ی ارگانوئیدهای مغزی و اندومتر کار می‌کنن که می‌تونن مثل ارگان‌ها رشد کنن تا بیماری‌ها و روش‌های درمانی رو بررسی کنن. اما دیدن جزئیات داخلی بدون برش یا رنگ کردن بافت، که باعث از بین رفتن نمونه می‌شه، یه چالش بزرگ بوده. این روش جدید تصویربرداری به محققین این اجازه رو می‌ده که به‌صورت غیرتهاجمی وضعیت‌های متابولیکی داخل یه ارگانوئید زنده رو در حین رشدش، بررسی کنن.

با در نظر گرفتن این و کاربردهای دیگه‌ی بیومدیکال، محققین قصد دارن به سمت تصاویر با وضوح بالاتر برن. در عین حال، دارن روی ساختن منابع لیزر کم‌صدا کار می‌کنن که می‌تونه تصویربرداری عمیق‌تر رو با دوز نور کمتر ممکن کنه. اونا همچنین دارن الگوریتم‌هایی رو توسعه می‌دن که به تصاویر واکنش نشون می‌دن تا ساختارهای کامل سه‌بعدی نمونه‌های بیولوژیکی رو با وضوح بالا بازسازی کنن.

در درازمدت، اونا امیدوارن این روش رو توی دنیای واقعی به‌کار ببرن تا به زیست‌شناسا کمک کنن تا پاسخ‌های دارویی رو توی زمان واقعی بررسی کنن و به توسعه‌ی داروهای جدید کمک کنن. یو می‌گه: «با امکان تصویربرداری متابولیک چندوجهی که به عمق بافت‌ها نفوذ می‌کنه، ما به دانشمندا این توانایی بی‌سابقه رو می‌دیم که سیستم‌های بیولوژیکی که توی حالت طبیعی خودشون، شفاف نیستن رو ببینن. ما از همکاری با دکترها، زیست‌شناسا و مهندسین زیستی برای پیش بردن مرزهای این تکنولوژی و تبدیل این بینش‌ها به پیشرفت‌های پزشکی توی دنیای واقعی، خیلی هیجان‌زده‌ایم.»

این تحقیق بخشی از بودجه‌اش رو از منابع استارتاپی MIT، جایزه CAREER بنیاد ملی علوم ایالات متحده، بورس ریاست جمهوری ایرون جیکوبز و جوان کلاین MIT و بورس کایلاث MIT دریافت کرده.