8 دقیقه
مطالعه نشان می‌دهد تابش بیوفوتون قابل‌مشاهده با مرگ متوقف میشود
در یک آزمایش اخیر که پژوهشگران دانشگاه کلگری و شورای تحقیقات ملی کانادا انجام دادند، شواهد فیزیکی مستقیمی گزارش شده که نشان می‌دهد بافتهای زنده تابش بسیار ضعیف نور مرئی منتشر میکنند و این تابش پس از مرگ به‌طور محسوس کاهش مییابد. تیم تحقیقاتی با استفاده از سامانه‌های تصویربرداری فوقحساس و کم‌نور، انتشار فوتون فوق‌العاده ضعیف (UPE) که گاهی به آن بیوفوتون هم گفته میشود، را از بدن کامل موش‌ها و برگ‌های دو گونه گیاهی اندازهگیری کردند. نتایج نشان می‌دهد که مواد زیستی گرایشی به تولید درخشش ضعیف مرئی دارند که با فعالیت متابولیک و تنش سلولی نسبت دارد و زمانی که حیات پایان مییابد این درخشش به‌طور چشمگیری فروکش میکند.
پیش‌زمینه علمی: بیوفوتونها چیست و چرا اهمیت دارند
بیوفوتونها و شیمی‌درخشندگی
بیوفوتونها نشرهای نوری بسیار ضعیفی هستند که بهصورت خودبهخودی توسط سلولها و بافتهای زیستی تولید میشوند. بر خلاف پدیده‌های شناخته‌شده و پرنورِ شیمی‌درخشندگی مثل نور چراغ‌قورباغه‌ها (بیولومینسانس)، شدت بیوفوتونها چندین مرتبه کمتر است و در گستره طیفی وسیعی ثبت شدهاند — تقریباً بین 200 تا 1000 نانومتر. طی چند دهه، محققان این نشرهای ضعیف را از نمونه‌های مختلف ثبت کرده‌اند؛ از کلونی‌های باکتریایی گرفته تا بافتهای پستانداران و گیاهان. این پدیده در لایه‌ای میکروسکوپی با فرکانس‌های پایین رخ می‌دهد و نیازمند تجهیزات بسیار حساس برای آشکارسازی است.
گونههای اکسیژن واکنشی به‌عنوان منبع محتمل
توضیحی که اغلب برای بیوفوتونها پیشنهاد میشود، ارتباط آنها با گونههای اکسیژن واکنشی (ROS) است. وقتی سلولها تحت فشار حرارتی، سمیت شیمیایی، عفونت یا محدودیت منابع غذایی قرار می‌گیرند، ROSهایی مانند پراکسید هیدروژن می‌توانند با لیپیدها و پروتئین‌ها واکنش داده و حالتهای برانگیخته الکترونیکی ایجاد کنند. زمانی که این مولکولهای برانگیخته به سطح انرژی پایین‌تر بازمی‌گردند، ممکن است یک یا چند فوتون در باند مرئی آزاد کنند. اگر این مکانیزم تأیید شود، انتشار فوتون فوق‌العاده ضعیف میتواند به‌عنوان یک شاخص غیرتهاجمی برای سنجش استرس سلولی یا وضعیت متابولیک به‌کار رود؛ برای مثال، شناسایی نواحی با اکسیداسیون بالاتر یا آسیب اکسیداتیو قبل از بروز تغییرات ساختاری آشکار.
جزئیات آزمایش و یافته‌های اصلی
برای بررسی این پرسش که آیا UPE را می‌توان در سطح موجودات کامل نیز آشکارسازی کرد نه فقط در بافتهای جداشده، پژوهشگران از دوربینهای حساس از نوع electron-multiplying charge-coupled device (EMCCD) و دوربینهای معمولی charge-coupled device (CCD) استفاده کردند. در این آزمایش چهار موش بی‌حرکت شده به‌طور جداگانه در یک اتاقک کاملاً تاریک قرار گرفتند و به مدت یک ساعت در حالی که زنده بودند تصویربرداری شدند؛ سپس بی‌درنگ بی‌جان شدند و برای یک ساعت دیگر تصویربرداری ادامه یافت. نکته مهم این بود که پس از مرگ، اجساد در دمای نزدیک به دمای بدن نگه داشته شدند تا تأثیرات حرارتی بر تابش و نویزهای حرارتی کنترل شود.
ابزارهای به‌کاررفته حساسیت لازم را داشتند تا تک‌فوتون‌های مرئی منتشرشده از سلول‌های حیوان را ثبت کنند. شمارش‌های UPE بعد از کشته‌شدن موش‌ها به‌طور معناداری کاهش یافته بود که تفاوت روشنی بین حالت زنده و غیرزنده نشان می‌داد. در آزمایش‌های موازی بر روی برگ‌های Arabidopsis thaliana (آرا‌بیدوپسیس) و Heptapleurum arboricola (درختچه سایه‌بانِ کوتاه) نیز نتایج مکملی به‌دست آمد: بخش‌های فیزیکی آسیب‌دیده یا تحت استرس شیمیایی در برگ نور مرئی بیشتری منتشر کردند نسبت به بافتهای دست‌نخورده.
تیم پژوهشی می‌نویسد: «بخش‌های آسیب‌دیده در تمام برگ‌ها در طول 16 ساعت تصویربرداری به‌طور معنی‌داری روشن‌تر از بخش‌های سالم برگ باقی ماندند»، که این امر بر رابطه بین تولید ROS ناشی از تنش و افزایش UPE تأکید دارد. افزون بر این، ثبت الگوهای زمانی و مکانی تابش امکان تفکیک نواحی فعال یا تحت فشار را فراهم ساخت؛ به‌عنوان مثال نواحی پیرامون زخم‌ها یا برش‌های مکانیکی که به‌سرعت پاسخ اکسیداتیو نشان می‌دادند.
برای افزایش اعتماد به نتایج، محققان توجه ویژه‌ای به کالیبراسیون دوربین‌ها، حذف نویزهای الکترونیکی و آزمون‌های کنترل انجام دادند. آنها نرخ شمارش پس‌زمینه، «dark count» دوربین‌ها و هر منبع نوری احتمالی را اندازهگیری و تصحیح کردند تا مطمئن شوند که تغییرات مشاهده‌شده واقعی و مرتبط با وضعیت زیست‌شناختی نمونه‌ها است، نه ناشی از خطاها یا شرایط محیطی.
پیامدها، چالشها و چشم‌اندازهای آینده
امکان پایش استرس سلولی به صورت راه‌دور و غیرتهاجمی جذابیت‌های بالایی برای پزشکی، کشاورزی و میکروبیولوژی دارد. در محیط‌های بالینی، تصویربرداری UPE میتواند بهصورت فرضی پیش از ظاهر شدن علائم آشکار، بافت‌هایی را که تحت استرس اکسیداتیو قرار دارند شناسایی کند؛ این میتواند برای تشخیص زودهنگام آسیب بافتی در پی سکته، التهاب یا سمیت دارویی مفید باشد. در کشاورزی، شناسایی سریع استرس یا بیماری گیاه از طریق تصویربرداری بیوفوتون میتواند به بهینه‌سازی آبیاری، کاربرد آفت‌کش‌ها و مدیریت بیماری‌ها کمک کند و از اتلاف منابع جلوگیری نماید.
با این حال موانع فنی و تفسیرشناختی متعددی وجود دارد. سیگنال‌های فوق‌العاده ضعیف به‌راحتی توسط نویز الکترومغناطیسی محیط و توسط انتشار فروسرخ گرمایی از بافتهای گرم پوشانده میشوند. تکرارپذیری نتایج در آزمایشگاه‌های مختلف نیازمند شرایط تاریک و کنترل‌شده، آشکارسازهای فوقحساس (مانند EMCCDهای خنک‌شده) و تحلیل آماری قوی است. علاوه بر این، تعیین علت دقیق هر افزایش در UPE نیازمند تجزیه‌وتحلیل طیفی و شیمیایی بیشتری است تا بین منابع احتمالی مانند انواع مختلف ROS، محصولات پراکسیداسیون لیپید و واکنشهای شیمیایی متفاوت تمایز قائل شویم.
همچنین لازم است از تفسیرهای اغراق‌آمیز و نشانه‌گذاری‌های شبهعلمی اجتناب شود؛ برخی گزارش‌های قدیمی و غیرمستند به مفاهیمی مثل «هاله» یا پدیده‌های ماورالطبیعه اشاره کرده‌اند که با شواهد علمی همخوانی ندارند. پژوهشگران حوزه باید به‌دقت محدودیتها را بیان کنند و استانداردهای روش‌شناختی را به‌طور عمومی منتشر نمایند تا اعتبار علمی و کاربردپذیری این روش افزایش یابد.
از منظر فنی، پیشرفت‌هایی در بخش‌های زیر میتواند گسترش کاربردی تصویربرداری UPE را ممکن سازد: بهینه‌سازی فیلترها و حسگرهای طیفی برای تفکیک بهتر طول‌موج‌ها، توسعه روش‌های پردازش سیگنال برای افزایش نسبت سیگنال به نویز، به‌کارگیری تکنیک‌های ترکیبی مانند تصویرنگاری هم‌زمان با دیگر نشانگرها (فلورسانس، پت-CT) و ایجاد پروتکلهای استاندارد برای کالیبراسیون و کنترل کیفیت داده‌ها. افزون بر آن، استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای تشخیص الگوهای پیچیده در داده‌های کم‌نور میتواند توانایی تفسیر نتایج را افزایش دهد.
دیدگاه متخصص
دکتر النا مورنو، پژوهشگر بیوفوتونیک و مروج علوم، در اشاره به این مطالعه گفت: «این مطالعه داده‌های تجربی مهمی را ارائه می‌دهد که تفاوت‌های UPE بین بافت زنده و غیرزنده را نشان می‌دهد. استفاده از تصویرنگاری روی موجود کامل همراه با کارهای موازی روی گیاهان، تفسیر زیستی را تقویت میکند. با این حال، برای تبدیل این یافته‌ها به ابزارهای تشخیصی عملی، باید روی مدیریت نسبت سیگنال به نویز و توسعه پروتکلهای استاندارد بین گونه‌ها و شرایط مختلف کار بیشتری انجام شود.» این دیدگاه بر لزوم کار میان‌رشته‌ای تأکید دارد؛ همکاری بین فیزیکدانان، زیست‌شناسان، مهندسان ابزار و کارشناسان تحلیل داده برای پیشبرد این حوزه ضروری است.
نتیجه‌گیری
مشاهدات گزارش‌شده ایدهٔ انتشار درخشش بسیار ضعیف مرئی توسط سلول‌های زنده را که با فعالیت متابولیک و استرس مرتبط است تقویت میکند و نشان می‌دهد این درخشش پس از مرگ کاهش مییابد. گرچه مفهوم بیوفوتونها هنوز در برخی جنبه‌ها محل بحث است، تصویربرداری کنترل‌شده با آشکارسازهای حساس تفاوت‌های بازتولیدپذیری بین بافتهای زنده و غیرزنده در حیوانات و گیاهان را نشان داده است. اگر این روش‌ها بیشتر اعتبارسنجی و پالایش شوند، تصویربرداری UPE میتواند به یک ابزار غیرتهاجمی جدید برای پایش سلامت سلولی بدل شود؛ اما قبل از استفادهٔ بالینی یا کشاورزی گسترده، کار فنی و روش‌شناختی قابل‌توجهی لازم است تا اطمینان و کاربردپذیری آن افزایش یابد.
منبع: pubs.acs
نظرات