تصویربرداری بدون برچسب از سلول های زنده با روش آی آی اس ام

تصور کنید در آستانه کارگاهی بسیار کوچک ایستاده‌اید؛ جایی که ماشین‌های مولکولی صدا می‌کنند، بازآرایی می‌شوند و به محرک‌ها پاسخ می‌دهند. نمی‌توانید آن‌ها را لمس کنید. نمی‌توانید برچسبی به آن‌ها بزنید. با این حال، همه این کنش‌ها همان‌جا و در زمان واقعی در حال رخ دادن‌اند. این همان وعده تازه گروهی از پژوهشگران استنفورد است که دو سنت تصویربرداری را به هم پیوند داده‌اند تا سلول‌های زنده را با سطحی از جزئیات آشکار کنند که پیش‌تر بدون برچسب‌های فلورسنت در دسترس نبود.

دیدن سلول‌ها بدون برچسب

برای دهه‌ها، میکروسکوپی فلورسنس ابزار اصلی زیست‌شناسی سلولی بوده است. یک پروتئین را برچسب‌گذاری کنید و حرکتش را ببینید. اما این معامله روشن است. برچسب‌ها اختصاصیت می‌دهند، اما هم‌زمان محدود می‌کنند که چه چیزهایی را می‌توانید هم‌زمان ببینید و تا چه مدت می‌توانید آن‌ها را دنبال کنید. رنگ‌های فلورسنت دچار رنگ‌پریدگی نوری می‌شوند. برچسب‌های ژنتیکی نیز ممکن است رفتار طبیعی سلول را مختل کنند. حال اگر بتوان ساختارهای زیادی را هم‌زمان، بی‌آنکه چیزی به سلول افزوده شود، مشاهده کرد چه؟

اینجاست که میکروسکوپی اسکن تصویر تداخل‌سنجی، یا آی‌آی‌اس‌ام، وارد میدان می‌شود. این روش پراکندگی طبیعی نور از اجزای سلولی را ثبت می‌کند و با کمک تداخل‌سنجی و یک آشکارساز چندعنصری، همان نور بسیار ضعیف را تقویت می‌کند. نتیجه، نمایی بدون برچسب است که به وضوحی در حدود ۱۲۰ نانومتر می‌رسد؛ مقیاسی که در آن زیرناحیه‌های غشایی، اندامک‌های کوچک و مجموعه‌های بزرگ پروتئینی در زمینه طبیعی خود قابل مشاهده می‌شوند. دستیابی به چنین شفافیتی پیش‌تر معمولاً به فلورسنس یا ابزارهای بسیار تخصصی نیاز داشت.

ویلیام ای. مورنر، برنده جایزه نوبل به دلیل کارهایش در روش‌های فلورسنس با وضوح فوق‌العاده، و میشل کوپرز، پژوهشگر پسادکتری، هدایت این تلاش را بر عهده داشته‌اند. آن‌ها این پژوهش را در نشریه لایت: ساینس اند اپلیکیشنز ارائه کرده‌اند. ادعای آنان پیروزمندانه و اغراق‌آمیز نیست. آی‌آی‌اس‌ام روشی مکمل است. هدف آن جایگزینی فلورسنس نیست؛ بلکه مجموعه‌ای متفاوت از مزیت‌ها را عرضه می‌کند: زمینه زیستی، دوام مشاهده و نوردهی ملایم‌تر.

میشل کوپرز و ویلیام ای. مورنر.

آی‌آی‌اس‌ام چگونه دو سنت تصویربرداری را ترکیب می‌کند

در هسته خود، آی‌آی‌اس‌ام میکروسکوپی پراکندگی تداخل‌سنجی را با شکلی سازگارشده از اسکن تصویر با استفاده از آرایه‌های دوربینی ترکیب می‌کند. هر دو جزء پیش‌تر شناخته‌شده‌اند، اما کنار هم چیزی تازه پدید می‌آورند.

پراکندگی تداخل‌سنجی بر یک واقعیت ساده فیزیکی تکیه دارد. وقتی نور با یک جسم کوچک برخورد می‌کند، بخشی از آن پراکنده می‌شود. این نور پراکنده اطلاعاتی درباره جسم در خود دارد، اما اغلب بسیار ضعیف است. تداخل‌سنجی سیگنال قابل اندازه‌گیری را با آمیختن موج پراکنده با یک پرتو مرجع تقویت می‌کند و تفاوت‌های بسیار کوچک در فاز و دامنه را به تغییراتی قابل آشکارسازی تبدیل می‌کند. این فرایند شبیه کاری است که گیرنده‌های رادیویی با ترکیب سیگنال‌ها برای بهبود دریافت انجام می‌دهند.

میکروسکوپ‌های کانفوکال متعارف با استفاده از یک روزنه سوزنی و جمع‌آوری فوتون‌ها به وسیله یک آشکارساز منفرد، تاری فضایی را با حذف نور خارج از فوکوس کاهش می‌دهند. رویکردهای جدید اسکن تصویر، آن آشکارساز تکی را با آرایه‌ای از پیکسل‌ها جایگزین می‌کنند. هر پیکسل نمایی کمی متفاوت از همان حجم کوچک را ثبت می‌کند. با داشتن دیدگاه‌های متعدد، می‌توان به کمک محاسبات تصویری واضح‌تر بازسازی کرد. می‌توان آن را مانند داشتن ده‌ها تا صدها چشم بر یک صحنه واحد دانست، نه فقط دو چشم.

گروه استنفورد یک آشکارساز آرایه‌ای را به کار گرفت که نور بیشتری نسبت به یک روزنه سوزنی گردآوری می‌کند و سپس یک روند پردازشی برای ادغام این دیدگاه‌های متعدد توسعه داد. نتیجه، تصویری بدون برچسب با کنتراست تقویت‌شده و دقت محوری بهتر است. نکته مهم این است که آی‌آی‌اس‌ام این کار را با توان نوردهی کمتر در مقایسه با دیگر روش‌های بدون برچسب و با کنتراست بالا انجام می‌دهد. توان کمتر یعنی آسیب نوری کمتر و پنجره‌های زمانی طولانی‌تر برای مشاهده سلول‌های زنده.

این ترکیب، پنجره‌هایی تازه به سوی پویایی‌هایی می‌گشاید که دنبال کردنشان با فلورسنس دشوار است. پژوهشگران می‌توانند چندین ویژگی بدون برچسب را هم‌زمان ردیابی کنند و پاسخ آن‌ها را به محرک‌هایی مانند عوامل بیماری‌زا یا داروها ببینند. از آنجا که هیچ برچسبی وارد سلول نمی‌شود، ساختارها در حالت طبیعی خود دیده می‌شوند.

کاربردها، همکاری‌ها و چشم‌اندازهای نزدیک

جذابیت فوری آی‌آی‌اس‌ام گسترده است. مورنر و کوپرز همین حالا از این ابزار در پروژه‌های مشترک مختلف در سراسر استنفورد بهره می‌برند. یک گروه تعامل‌های میان سلول‌های گیاهی، قارچ‌ها و باکتری‌ها را در زمان واقعی مشاهده می‌کند. گروهی دیگر مسیر ورود یک داروی سرطان به درون سلول‌ها را دنبال می‌کند. گروه سوم قصد دارد ثبت کند که گلبول‌های قرمز در هنگام عفونت مالاریا چگونه تغییر شکل می‌دهند. این‌ها مسائل عملی و اثرگذارند که در آن‌ها زمینه بدون برچسب اهمیت زیادی دارد.

فراتر از این پروژه‌های اولیه، این روش می‌تواند بر چندین حوزه پژوهش در علوم زیستی اثر بگذارد. مطالعه ورود عوامل بیماری‌زا، بازآرایی غشا، انتقال درون‌سلولی و جذب دارو همگی می‌توانند از آن بهره‌مند شوند. برای نمونه در توسعه دارو، آی‌آی‌اس‌ام می‌تواند نشان دهد یک مولکول نامزد چگونه از سدهای سلولی عبور می‌کند، بی‌آنکه اثرات گمراه‌کننده برچسب‌های فلورسنت دخالت داشته باشند. در زیست‌شناسی گیاهی نیز می‌تواند تعامل‌های چندسلولی را در مرز میان میزبان و میکروب نشان دهد.

البته مصالحه‌هایی هم وجود دارد. آی‌آی‌اس‌ام هنوز به اختصاصیت مولکولی‌ای که فلورسنس هدفمند فراهم می‌کند نمی‌رسد. این روش به تنهایی نمی‌تواند یک پروتئین خاص را از میان هزاران پروتئین شناسایی کند. با این حال، کوپرز و مورنر آینده‌ای ترکیبی را تصور می‌کنند که در آن فلورسنس هویت مولکولی را مشخص می‌کند و آی‌آی‌اس‌ام زمینه بدون برچسب و دامنه پویایی را فراهم می‌آورد. در کنار هم، این دو نما هم «چه چیزی» و هم «چگونه» را در اختیار پژوهشگران می‌گذارند.

دیدگاه کارشناسی

«این یک پیشرفت عمل‌گرایانه است»، دکتر النا پارک، متخصص تصویربرداری سلولی در یک مؤسسه پژوهشی که وابسته به این کار نیست، می‌گوید. «آنچه اهمیت دارد فقط وضوح نیست، بلکه توانایی مشاهده فرایندها در حین وقوع، بدون مختل کردن آن‌هاست. آی‌آی‌اس‌ام اثر مشاهده‌گر را کاهش می‌دهد. همین می‌تواند طراحی آزمایش‌ها را تغییر دهد و پرسش‌هایی را ممکن کند که پیش‌تر حتی نمی‌توانستیم صورت‌بندی کنیم.»

دکتر پارک همچنین هشدار می‌دهد: «پذیرش این فناوری به سهولت استفاده و دسترسی بستگی دارد. اگر این فناوری در اختیار آزمایشگاه‌های بیشتری قرار بگیرد، اکتشافات را شتاب می‌دهد. اما اگر به یک چیدمان خاص و محدود باقی بماند، پیشرفت کندتر خواهد بود.»

به نظر می‌رسد مورنر و کوپرز در حال پرداختن به همین مانع هستند. آن‌ها ابزار را به‌تدریج بهبود می‌دهند و همکاری‌هایی را دنبال می‌کنند که کارایی روش را در سامانه‌های زیستی متنوع نشان می‌دهد. این ارتباط‌سازی برای گذار از یک آزمایشگاه منفرد به ابزاری جامعه‌محور اهمیت دارد.

مزایای عملی روشن‌اند. سمیت نوری کمتر، تصویربرداری زنده طولانی‌تر، مشاهده هم‌زمان چندین ساختار بدون برچسب و سازگاری با پویایی‌های سریع، مجموعه‌ای کارآمد از قابلیت‌ها را برای بسیاری از آزمایش‌ها فراهم می‌کند. برای پرسش‌هایی که به اختصاصیت مولکولی نیاز دارند، فلورسنس همچنان ضروری است. برای پرسش‌هایی که زمینه و مشاهده ملایم می‌طلبند، آی‌آی‌اس‌ام امیدبخش است.

خلاصه اینکه آی‌آی‌اس‌ام عدسی تازه و عمل‌گرایانه‌ای به جعبه‌ابزار میکروسکوپی می‌افزاید. این روش ظرافت را بر نمایش ترجیح می‌دهد. حرکت را در جایگاه طبیعی خود آشکار می‌کند، بی‌آنکه سلول را با رنگ‌های فلورسنت رنگ‌آمیزی کند. برای دانشمندانی که می‌خواهند خودِ رخ دادن زندگی را ببینند، نه اینکه آن را برچسب بزنند، این یک گام بزرگ رو به جلو است.