پلتفرم نوین: انقلاب در تجسم سه‌بعدی سلول‌ها

پلتفرم نوآورانه تصویربرداری در مقیاس نانو

تیمی از محققان به رهبری آنا-کارین گوستاووسون در دانشگاه رایس، یک پلتفرم تصویربرداری نوآورانه توسعه داده‌اند که وعده بهبود درک ما از ساختارهای سلولی در مقیاس نانو را می‌دهد. این پلتفرم که به نام soTILT3D شناخته می‌شود، برای شیب نوری تک‌هدفه با توابع پخش نقطه‌ای سه‌بعدی طراحی شده و پیشرفت‌های قابل توجهی در میکروسکوپی فوق‌رزولوشن ارائه می‌دهد. این فناوری امکان تصویربرداری سریع و دقیق سه‌بعدی از چندین ساختار سلولی را فراهم می‌کند و در عین حال، محیط خارج سلولی را می‌توان کنترل و به‌طور انعطاف‌پذیر تنظیم کرد. این تحقیق به‌تازگی در Nature Communications منتشر شده است.

اهمیت مطالعه سلول‌ها در مقیاس نانو

مطالعه سلول‌ها در مقیاس نانو، بینش‌هایی درباره مکانیزم‌های پیچیده‌ای که رفتار سلولی را هدایت می‌کنند، به ما می‌دهد. این اطلاعات به محققان کمک می‌کند تا جزئیاتی را کشف کنند که برای درک سلامت و بیماری ضروری هستند. این جزئیات می‌توانند نشان دهند که چگونه تعاملات مولکولی به عملکردهای سلولی کمک می‌کنند، که برای پیشبرد درمان‌های هدفمند و درک پاتوژنز بیماری‌ها حیاتی است.

چالش‌های میکروسکوپی سنتی

در حالی که میکروسکوپی فلورسانس سنتی برای مطالعه ساختارهای سلولی مفید بوده است، اما به دلیل پراش نور، محدودیت‌هایی دارد که توانایی آن را برای تفکیک ویژگی‌های کوچکتر از چندصد نانومتر محدود می‌کند. علاوه بر این، اگرچه میکروسکوپی فوق‌رزولوشن بینش‌های انقلابی در مورد ساختارهای زیستی در مقیاس نانو ارائه داده است، اما تکنیک‌های موجود معمولاً به دلیل فلورسانس پس‌زمینه بالا و سرعت‌های تصویربرداری کند، به‌ویژه در نمونه‌های ضخیم یا تجمعات سلولی پیچیده، دچار مشکل می‌شوند. این تکنیک‌ها همچنین معمولاً کنترل دقیق و قابل تنظیمی بر محیط نمونه ندارند.

پلتفرم soTILT3D و نوآوری‌های کلیدی آن

پلتفرم soTILT3D به‌طور مستقیم به این چالش‌ها پاسخ می‌دهد. با ادغام هم‌افزایشی یک ورق نوری زاویه‌دار، یک سیستم میکروفلوئیدیک نانوچاپ شده و ابزارهای محاسباتی پیشرفته، soTILT3D به‌طور قابل توجهی دقت و سرعت تصویربرداری را بهبود می‌بخشد و امکان مشاهده واضح‌تری از نحوه تعامل ساختارهای مختلف سلولی در مقیاس نانو، حتی در نمونه‌های چالش‌برانگیز، فراهم می‌کند.

این پلتفرم از یک ورق نوری تک‌هدفه زاویه‌دار استفاده می‌کند تا برش‌های نازکی از یک نمونه را به‌طور انتخابی روشن کند و به‌طور مؤثری کنتراست را با کاهش فلورسانس پس‌زمینه از نواحی خارج از کانون بهبود ‌بخشد، به‌ویژه در نمونه‌های زیستی ضخیم مانند سلول‌های پستانداران. گوستاووسون، استادیار شیمی در دانشگاه رایس و نویسنده مسئول این مطالعه، گفت: “ورق نوری با استفاده از همان لنز هدفی که در میکروسکوپ برای تصویربرداری استفاده می‌شود، تشکیل می‌شود و کاملاً قابل هدایت است. این ورق به‌گونه‌ای طراحی شده که آثار سایه‌زنی رایج در میکروسکوپی ورق نوری را حذف کند و به‌گونه‌ای زاویه‌دار است که امکان تصویربرداری از بالا تا پایین نمونه را با دقتی بهبود یافته فراهم می‌کند.”

این پلتفرم همچنین شامل یک سیستم میکروفلوئیدیک سفارشی طراحی شده است که دارای یک میکروآینه فلزی قابل تنظیم است. این سیستم کنترل دقیقی بر محیط خارج سلولی فراهم می‌کند و امکان تبادل سریع محلول را امکان‌پذیر می‌آورد، که برای تصویربرداری چندهدفه متوالی بدون تغییر رنگ ایده‌آل است و همچنین اجازه می‌دهد تا ورق نوری به داخل نمونه منعکس شود.

تطبیق‌پذیری طراحی و هندسه چیپ میکروفلوئیدیک

ناهیما سالیبا، یکی از نویسندگان اصلی مقاله به همراه گابریلا گالیانو، دانشجوی تحصیلات تکمیلی و عضو مؤسسه اسمالی-کرل و برنامه تحصیلات تکمیلی فیزیک کاربردی در دانشگاه رایس، گفت: “طراحی و هندسه چیپ میکروفلوئیدیک و درج نانوچاپ شده با میکروآینه به راحتی می‌تواند برای نمونه‌های مختلف و مقیاس‌های طولی متفاوت تطبیق یابد و این امر تنوعی در تنظیمات آزمایشی مختلف فراهم می‌کند.”

علاوه بر این، soTILT3D از ابزارهای محاسباتی مانند یادگیری عمیق برای تحلیل غلظت‌های بالای فلوروفورها به منظور افزایش سرعت تصویربرداری و الگوریتم‌هایی برای تصحیح انحراف در زمان واقعی استفاده می‌کند که امکان تصویربرداری پایدار و با دقت بالا را در طول زمان‌های طولانی فراهم می‌آورد. سالیبا افزود: “مهندسی PSF این پلتفرم امکان تصویربرداری سه‌بعدی از مولکول‌های منفرد را فراهم می‌کند، در حالی که یادگیری عمیق شرایط متراکم ارسالی را مدیریت می‌کند که الگوریتم‌های سنتی با آن‌ها مشکل دارند و این امر به طور قابل توجهی سرعت کسب تصویر را افزایش می‌دهد.”

نتایج انقلابی

دستگاه میکروفلوئیدیک soTILT3D همچنین از تصویربرداری خودکار Exchange-PAINT پشتیبانی می‌کند که به محققان این امکان را می‌دهد تا اهداف مختلف را به صورت متوالی بدون جابجایی رنگ‌های رایج در روش‌های چندرنگی، هنگام تصویربرداری در عمق نانو مشاهده کنند.

پلتفرم soTILT3D بهبودهای چشمگیری در دقت و سرعت تصویربرداری نشان داده است. نور ورقه‌ای زاویه‌دار این پلتفرم نسبت سیگنال به پس‌زمینه را برای تصویربرداری سلولی تا شش برابر نسبت به روش‌های سنتی اپی-ایلومینیشن بهبود می‌بخشد و کنتراست را افزایش می‌دهد و امکان مکان‌یابی دقیق در مقیاس نانو را فراهم می‌آورد. گالیانو گفت: “این سطح از جزئیات جنبه‌های پیچیده معماری سه‌بعدی سلول‌ها را که به طور سنتی با روش‌های معمولی دشوار بوده‌اند، آشکار می‌سازد.”

از نظر سرعت، soTILT3D با ترکیب غلظت بالای ارسالی و تحلیل یادگیری عمیق، افزایش ده برابری را ارائه می‌دهد و به محققان این امکان را می‌دهد تا تصاویر دقیقی از ساختارهای پیچیده‌ای مانند لامین هسته، میتوکندری و پروتئین‌های غشای سلولی در مدت زمان کوتاهی از زمان معمول ثبت کنند. علاوه بر این، این پلتفرم از تصویربرداری سه‌بعدی چندهدفه دقیق از کل سلول‌ها پشتیبانی می‌کند و توزیع‌های چندین پروتئین را در یک سلول کامل ثبت کرده و فاصله‌های نانو مقیاس بین آن‌ها را اندازه‌گیری می‌کند.

اکنون محققان می‌توانند ترتیب فضایی پروتئین‌های نزدیک به هم، مانند پروتئین‌های لامین هسته B1 و A/C و پروتئین ۲ مرتبط با لامین را با دقت و صحت شگفت‌انگیزی مشاهده کنند که بینش‌های جدیدی 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 محققان در زمینه‌های مختلف فراهم می‌کند. قابلیت تصویربرداری از نمونه‌های پیچیده، از جمله تجمعات سلول‌های بنیادی، کاربرد آن را فراتر از سلول‌های فردی گسترش می‌دهد. سازگاری زیستی سیستم میکروفلوئیدیک آن، آن را برای تصویربرداری از سلول‌های زنده مناسب می‌سازد و به دانشمندان این امکان را می‌دهد تا واکنش‌های سلولی به محرک‌های مختلف را در زمان واقعی با آسیب نوری کاهش یافته مطالعه کنند. ویژگی تبادل محلول به طور دقیق کنترل شده همچنین soTILT3D را به ابزاری ایده‌آل برای آزمایش اینکه چگونه درمان‌های دارویی بر سلول‌ها در زمان واقعی تأثیر می‌گذارد، تبدیل می‌کند.

گوستاووسون گفت: “هدف ما با soTILT3D ایجاد ابزاری انعطاف‌پذیر برای تصویربرداری بود که محدودیت‌های میکروسکوپی فوق‌رزولوشن سنتی را برطرف کند. ما امیدواریم این پیشرفت‌ها مطالعات در زیست‌شناسی، بیوفیزیک و بیومدیسین را تقویت کند، جایی که تعاملات پیچیده در مقیاس نانو کلید درک عملکرد سلولی در سلامت و پاتوژنز هستند.”

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