نانو میکروسکوپ انقلابی: کشف رازهای سلول‌ها با دقت بی‌سابقه!

یک نوآوری در تصویربرداری نانو مقیاس: پلتفرمی جدید

تیمی از پژوهشگران به رهبری آنا-کارین گوستاووسون در دانشگاه رایس، یک پلتفرم تصویربرداری نوین را توسعه داده‌اند که نویدبخش درک بهتر ما از ساختارهای سلولی در مقیاس نانو است. این پلتفرم که با نام soTILT3D شناخته می‌شود، بر پایه‌ی مِیلِ‌ نوری تک‌هدفه با توابع پراکندگی نقطه‌ای سه‌بُعدی طراحی شده و پیشرفت‌های قابل توجهی را در میکروسکوپی فوق‌تفکیک ارائه می‌دهد. این فناوری امکان تصویربرداری سریع و دقیق سه‌بعدی از چندین ساختار سلولی را فراهم می‌کند و در عین حال، محیط بیرون سلولی را می‌توان کنترل و با انعطاف‌پذیری تنظیم کرد. نتایج این تحقیق به تازگی در نشریه‌ی معتبر Nature Communications منتشر شده است.

اهمیت پژوهش سلول‌ها در مقیاس نانو

مطالعه‌ی سلول‌ها در مقیاس نانو، بینش‌های عمیقی درباره‌ی مکانیسم‌های پیچیده‌ای که رفتار سلولی را هدایت می‌کنند، در اختیار ما قرار می‌دهد. این اطلاعات به پژوهشگران کمک می‌کند تا جزئیاتی را کشف کنند که برای درک سلامت و بیماری حیاتی هستند. این جزئیات می‌توانند نشان دهند که چگونه تعاملات مولکولی به عملکردهای سلولی، که برای پیشبرد درمان‌های هدفمند و درک منشأ بیماری‌ها ضروری است، کمک می‌کنند.

چالش‌های میکروسکوپی سنتی

اگرچه میکروسکوپی فلورسانس کلاسیک در مطالعه‌ی ساختارهای سلولی مفید بوده است، محدودیت‌هایی دارد که ناشی از پراش نور است و تواناییِ آن را برای تفکیک ویژگی‌های کوچک‌تر از چند صد نانومتر محدود می‌کند. علاوه بر این، با وجود این‌که میکروسکوپی فوق‌تفکیک بینش‌های انقلابی در مورد ساختارهای زیستیِ نانو‌مقیاس ارائه کرده است، تکنیک‌های موجود معمولاً به دلیل فلورسانس زمینه‌ای بالا و سرعت تصویربرداری کُند، به‌ویژه در نمونه‌های ضخیم یا توده‌های سلولی پیچیده، با مشکلاتی روبرو می‌شوند. افزون بر این، این روش‌ها معمولاً کنترل دقیق و قابل تنظیمی بر محیط نمونه ندارند.

پلتفرم soTILT3D و نوآوری‌های کلیدی آن

پلتفرم soTILT3D مستقیماً به این چالش‌ها پاسخ می‌دهد. با ترکیب هم‌افزایشی یک ورقه‌ی نوری زاویه‌دار، یک سیستم میکروفلوئیدیک نانوساخته و ابزارهای محاسباتی پیشرفته، soTILT3D به‌طور قابل توجهی دقت و سرعت تصویربرداری را بهبود می‌بخشد و مشاهده‌ی شفاف‌تری از نحوه‌ی تعامل ساختارهای مختلف سلولی در مقیاس نانو، حتی در نمونه‌های دشوار، ممکن می‌سازد.

این پلتفرم از یک ورقه‌ی نوریِ تک‌هدفه زاویه‌دار استفاده می‌کند تا برش‌های نازکی از یک نمونه را به‌صورت انتخابی روشن کند و به‌طور موثر کنتراست را با کاهش فلورسانس زمینه‌ای از نواحی خارج از کانون بهبود بخشد، به خصوص در نمونه‌های بیولوژیکی ضخیم مانند سلول‌های پستانداران. گوستاووسون، استادیار شیمی در دانشگاه رایس و نویسنده‌ی مسئول این مطالعه، می‌گوید: «ورقه‌ی نوری با استفاده از همان عدسیِ شیئی که در میکروسکوپ برای تصویربرداری استفاده می‌شود، تشکیل می‌شود و کاملاً قابل هدایت است. این ورقه به شکلی طراحی شده است که آثار سایه‌زنیِ رایج در میکروسکوپی ورقه‌ی نوری را حذف می‌کند و به گونه‌ای زاویه داده می‌شود که امکان تصویربرداری از بالا تا پایین نمونه را، با دقتِ افزایشی، فراهم می‌کند.»

این پلتفرم همچنین شامل یک سیستم میکروفلوئیدیک سفارشی است که شامل یک میکروآینه‌ی فلزیِ قابل تنظیم است. این سیستم کنترل دقیقی بر محیط خارج سلولی فراهم می‌کند و امکان تعویض سریع محلول را میسر می‌سازد، که برای تصویربرداری چندمنظوره متوالی بدون تغییر رنگ ایده‌آل است و همچنین اجازه می‌دهد تا ورقه‌ی نوری به درون نمونه منعکس شود.

انعطاف‌پذیری طراحی و هندسه‌ی چیپ میکروفلوئیدیک

ناهیما سالیبا، یکی از نویسندگان اصلی مقاله به همراه گابریلا گالیانو، دانشجوی مقطع دکتری و عضو مؤسسه‌ی اسمالی-کرل و برنامه‌ی تحصیلات تکمیلی فیزیک کاربردی در دانشگاه رایس، اظهار داشت: «طراحی و هندسه‌ی تراشه‌ی میکروفلوئیدیک و درج نانوساخته به همراه میکروآینه به آسانی می‌تواند برای نمونه‌های مختلف و مقیاس‌های طولی متفاوت تطبیق یابد و این امر تنوعی در تنظیمات آزمایشی مختلف ایجاد می‌کند.»

علاوه بر این، soTILT3D از ابزارهای محاسباتی نظیر یادگیری عمیق برای تحلیل غلظت‌های بالای فلوروفورها به منظور فزایش سرعت تصویربرداری و الگوریتم‌هایی برای اصلاح انحراف در زمان واقعی استفاده می‌کند که دستاورد آن، امکان تصویربرداریِ پایدار و با دقت بالا در طول زمان‌های طولانی است. سالیبا اضافه کرد: «مهندسی PSF این پلتفرم، امکان تصویربرداری سه‌بعدی از مولکول‌های منفرد را فراهم می‌کند، در حالی که یادگیری عمیق، شرایط پرتراکم ارسالی را مدیریت می‌کند – شرایطی که الگوریتم‌های سنتی در مواجهه با آن‌ها دچار مشکل می‌شوند – و این امر به طور قابل توجهی سرعتِ گرفتن تصویر را افزایش می‌دهد.»

نتایج انقلابی

دستگاه میکروفلوئیدیک soTILT3D همچنین از تصویربرداری خودکارِ Exchange-PAINT پشتیبانی می‌کند؛ این ویژگی، امکان مشاهده‌ی اهداف گوناگون را به‌طور متوالی، بدون جابه‌جایی رنگ‌های رایج در روش‌های چندرنگی، هنگام تصویربرداری در عمق نانو، برای پژوهشگران فراهم می‌کند.

پلتفرم soTILT3D پیشرفت‌های چشمگیری در دقت و سرعت تصویربرداری نشان داده است. نور ورَقه‌ای زاویه‌دار این پلتفرم نسبت سیگنال به نویز را برای تصویربرداریِ سلولی تا شش برابر نسبت به روش‌های سنتی اپی-اِلومینیشن، بهبود می‌بخشد و کنتراست را افزایش می‌دهد و امکان مکان‌یابی دقیق در مقیاس نانو را فراهم می‌کند. گالیانو گفت: «این سطح از جزئیات، جنبه‌های پیچیده‌ی معماری سه‌بعدی سلول‌ها را که به طور سنتی با روش‌های معمول دشوار بوده‌اند، آشکار می‌سازد.»

از نظر سرعت، soTILT3D با ترکیب غلظت بالای ارسالی و تحلیل یادگیری عمیق، افزایش ده‌برابری را ارائه می‌دهد و به پژوهشگران این امکان را می‌دهد که تصاویر دقیقی از ساختارهای پیچیده‌ای نظیر لامین هسته، میتوکندری و پروتئین‌های غشای سلولی را در مدت زمانی کوتاهتر از معمول ثبت کنند. علاوه بر این، این پلتفرم از تصویربرداری سه‌بعدیِ چندمنظوره دقیق از کل سلول‌ها پشتیبانی می‌کند و توزیع‌های چندین پروتئین را در یک سلول کامل ثبت کرده و فاصله‌های نانومقیاس بین آن‌ها را اندازه‌گیری می‌کند.

اکنون پژوهشگران می‌توانند ترتیب فضاییِ پروتئین‌های نزدیک به هم، نظیر پروتئین‌های لامین هسته‌ی B1 و A/C و پروتئینِ ۲ مرتبط با لامین را با دقت و صحت شگفت‌انگیزی مشاهده کنند که بینش‌های تازه‌ای در مورد سازماندهی پروتئین‌ها و نقش آن‌ها در تنظیم عملکرد سلولی ارائه می‌دهد.

کاربردهای گسترده در زیست‌شناسی و پزشکی

پلتفرم soTILT3D امکانات جدیدی را برای پژوهشگران در حوزه‌های گوناگون فراهم می‌کند. قابلیت تصویربرداری از نمونه‌های پیچیده، از جمله توده‌های سلول‌های بنیادی، کاربرد آن را فراتر از سلول‌های منفرد گسترش می‌دهد. سازگاریِ زیستیِ سیستم میکروفلوئیدیک آن، آن را برای تصویربرداری از سلول‌های زنده مناسب می‌سازد و به دانشمندان این امکان را می‌دهد که واکنش‌های سلولی به محرک‌های مختلف را در زمان واقعی با آسیب نوری کاهش یافته مطالعه کنند. ویژگی تعویض محلول با دقت کنترل شده نیز soTILT3D را به ابزاری ایده‌آل برای آزمایش این که چگونه درمان‌های دارویی بر سلول‌ها در زمانِ واقعی تأثیر می‌گذارند، تبدیل می‌کند.

گوستاووسون می‌گوید: «هدف ما با soTILT3D ایجاد ابزاری انعطاف‌پذیر برای تصویربرداری بود که محدودیت‌های میکروسکوپی فوق‌تفکیکِ سنتی را برطرف کند. ما امیدواریم این پیشرفت‌ها، مطالعات در زیست‌شناسی، بیوفیزیک و بیومدیسین را تقویت کند؛ حوزه‌هایی که تعاملات پیچیده در مقیاس نانو، کلید درک عملکرد سلولی در سلامت و پاتوژنز هستند.»

این تحقیق با حمایت مالیِ جزئی از مؤسسه‌ی ملی علوم پزشکی عمومی از طریق گرنت‌های R00GM134187 و R35GM155365، کمک هزینه‌ی بنیاد ولچ C-2064-20210327 و بودجه‌های راه‌اندازی از مؤسسه‌ی پیشگیری و تحقیقات سرطان تگزاس با گرنت RR200025 پشتیبانی شده است.