پزشکان بدون مرز درمان
خبر فوری
خانه / علوم / آشنایی با میکروسکوپ ها و طریق عملکرد شان
مجله پزشکی

آشنایی با میکروسکوپ ها و طریق عملکرد شان

آشنایی با میکروسکوپ ها و طریق عملکرد شان
اولين ميکروسکوپ فقط از يک لوله ساخته شده بود که در يک انتها صفحه يي داشت که جسم در آن قرار مي گرفت و در انتهاي ديگر آن ذره بيني نصب شده بود.

در قرن هجدهم با ساخت عدسي هايي که انحناي بيشتري داشتند و در نتيجه بزرگنمايي شان بيشتر بود و همچنين ترکيب چندين عدسي با يکديگر، قدرت تفکيک ميکروسکوپ ها زياد شد.

 اما با فرارسيدن قرن بيستم و ارائه نظريه هاي علمي جديد و فناوري هاي تازه، ابداع انواع ديگر ميکروسکوپ ها امکان پذير شد.با استفاده از فناوري ها و روش هاي جديد به کار رفته در ميکروسکوپ هاي فلورسانس، درک فرآيندهاي سلولي در مقياس هايي که پيش از اين تصورش را نمي کرديم، امکان پذير شد.

اين فناوري ها نه تنها باعث درک بهتر ما از فرآيندهاي حيات شد، بلکه امکانات بي شماري را براي توسعه روش هاي درماني جديد در حوزه هايي مانند درمان بيماري هايي مثل سرطان و بيماري هاي قلبي- عروقي و ايمن شناسي فراهم مي آورد.با استفاده از چنين ميکروسکوپ هايي دستيابي به قدرت تفکيک 50-20 نانومتر امکان پذير مي شود.

کارکرد ميکروسکوپ هاي فلورسانس

بيشتر ميکروسکوپ هايي که تاکنون ابداع شده اند، ميکروسکوپ نوري بودند. ميکروسکوپ هاي نوري ميکروسکوپ هايي هستند که براي بررسي يک جسم، از پرتوهاي نور استفاده مي کنند و نور را به جسم موردنظر مي تابانند.

با اين همه ميکروسکوپ نوري يک ضعف عمده دارد که محدوديت قدرت تفکيک آن است. به دليل ماهيت موجي نور، موج هاي مختلف موجود در يک پرتو نور، با يکديگر تداخل مي کنند. به همين دليل، وقتي با استفاده از عدسي يک پرتو نور را متمرکز مي کنيم، بسته به طول موج نور و زاويه يي که عدسي مي تواند نور را جمع کند، يک نقطه نوراني به پهناي 200 نانومتر در جهت هاي X و Y و عمق 500 نانومتر در راستاي Z تشکيل مي شود.در دهه 1930 انواع ميکروسکوپ هاي الکتروني ابداع شد.

هر چند اين ميکروسکوپ ها همچنان گران است، اما استفاده از آنها متداول شد. با ابداع ميکروسکوپ هاي الکتروني (که از پرتوهاي الکترون به جاي پرتو نور استفاده مي کند) قدرت تفکيک به شدت افزايش يافت، زيرا طول موج پرتوهاي الکترون کمتر از طول موج فوتون است. فوتون «ذره» تشکيل دهنده نور است.

هر چند با ابداع ميکروسکوپ هاي الکتروني دنياي کاملاً تازه يي از جزئيات به روي ما باز شد که پيش از آن مشاهده نکرده بوديم، اما استفاده از آن براي تصويربرداري از نمونه هاي زيستي چندان مناسب نيست. براي آنکه بتوانيم نمونه يي را با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني مشاهده کنيم، بايد نمونه ها را در خلأ و به دور از هوا نگهداري کرد.

علاوه بر اين پيش از اينکه بتوان جسم را زير ميکروسکوپ تماشا کرد، بايد با استفاده از روش هايي آن را آماده کرد، از جمله برش جسم به لايه هاي نازک با استفاده از فلزهايي مثل اورانيوم، سرب يا پوشاندن نمونه با انواع فلزهاي رسانا. در هر مورد ماده زيستي شناختي مشاهده شده به وسيله ميکروسکوپ الکتروني ديگر زنده نيست.

هر چند ميکروسکوپ الکتروني در زيست شناسي و پزشکي کاربردهاي فراواني دارد، اما مطلوب آن است که بدون کشتن نمونه ها بتوانيم قدرت تفکيک را زياد کنيم گرچه سلول هاي انسان ها و حيوانات به قدر کافي بزرگ است و مي توان با استفاده از ميکروسکوپ هاي نوري آنها را مشاهده کرد. کارکرد سلول به سنتز و انتقال پروتئين هايي بستگي دارد که با يکديگر بر هم کنش دارند يا به هم متصل مي شوند تا کار ويژه يي را انجام دهند.

براي مثال واکنش هاي ايمني شناختي بدن ما به توانايي سلول ها براي توليد پروتئين هايي بستگي دارد که مي توانند با اجسام خارجي مقابله کنند. علاوه بر اين مرگ سلول ها نيز به پروتئين ها مربوط مي شود و ناتواني سلول ها براي مرگ کنترل شده به سرطان منجر مي شود.

با توجه به اينکه قدرت تفکيک ميکروسکوپ هاي نوري معمولي حدود 200 نانومتر است، نمي توان چگونگي برهم کنش پروتئين را ديد و دريافت که آيا پروتئين ها اصولاً با يکديگر برهم کنش دارند يا خير، چگونه پروتئين ها به بخش هاي خاصي از سلول منتقل مي شوند و چرا وجود آنها در اين بخش خاص ضروري است. درک اين مکانيسم ها در پژوهش هاي پزشکي و ابداع روش هاي درماني جديد بسيار ضروري است.

کارکرد ميکروسکوپ هاي فلورسانس

در ابتداي قرن بيستم پديده فلورسانس در ساخت ميکروسکوپ به کار گرفته شد. فلورسانس يکي از پديده هاي مربوط به نورتابي(لومين سانس) است. ما معمولاً وقتي جسمي را مي بينيم که نور از آن جسم بازتاب مي شود.

رنگ جسم نيز به اين موضوع وابسته است که جسم چه طول موجي را بازتاب مي کند. در پديده فلورسانس مولکول يک فوتون(يک ذره نور) با طول موج خاص را جذب و سپس آن را با طول موج بلندتري منتشر مي کند.فلورسانس يکي از روش هاي بسيار متداول در تصويربرداري بافت هاي زيست شناختي است. مواد زيست شناختي معمولاً نور را به شدت متفرق مي کنند و در نتيجه تماشاي آن وراي سطح سلول دشوار است.

در پديده فلورسانس معمولاً طول موج نور گسيل شده از طول موج نور تابيده شده بيشتر است، بنابراين نور متفرق شده از سطح سلول را مي توان از نور تابيده شده به سلول تفکيک کرد. براي انجام اين کار از آينه هاي دورنگي استفاده مي کنند. اين آينه ها نور تابيده شده را دوباره به نمونه برمي گردانند، اما نور فلورسانس از آن عبور مي کند، در نتيجه تماشاي ساختارهاي دروني سلول امکان پذير مي شود.برخي مواد زيست شناختي به طور طبيعي فلورسنت هستند، اما رنگ ها و پروتئين هاي فلورسنت فراواني نيز وجود دارد که مي توان از آنها براي رنگ آميزي بخش هاي ويژه يک سلول مثل هسته استفاده کرد.

حتي مي توان آنها را به پروتئين هاي خاص درون سلول متصل کرد، در نتيجه پيگيري حرکت آنها درون سلول امکان پذير مي شود.استفاده از رنگ ها و پروتئين هاي نور کليد زدني فلورسنت که به تازگي کشف شده است، کاربردهاي بسياري در تصويربرداري فلورسانس دارد. اين مولکول ها مي توانند دو حالت داشته باشند؛ يک حالت درخشان يا حالت فلورسنت و يک حالت تاريک يا غيرفلورسنت.کليدزني بين اين دو حالت با تاباندن نور با دو طول موج متفاوت انجام مي شود.

يکي از کاربردهاي مولکول هاي نور کليدزدني رديابي پروتئين ها است. اگر مولکول هاي فلورسنت به پروتئين هاي خاص متصل شوند و يک بخش کوچک از آنها فعال شود، پيگيري جابه جايي پروتئين ها بسيار آسان تر از حالتي است که همه پروتئين هاي درون سلول نور را گسيل کنند. علاوه بر اين لحظه دقيق فعال سازي را مي توان کنترل کرد.

قدرت تفکيک زياد بدون کشتن نمونه

چگونه مي توان بدون آنکه نمونه هاي زيست شناختي را از بين برد، ميکروسکوپ هايي با قدرت تفکيک زياد ساخت؟ از آنجايي که قدرت تفکيک يک ميکروسکوپ به طول موج بستگي دارد، يک راه براي افزايش قدرت تفکيک کاهش دادن طول موج است.

با اين همه هنگامي که از طيف نور مرئي به سمت طيف فرابنفش(UV) مي رويم، نور براي سلول هاي زنده کشنده مي شود. حتي کم ضررترين نور UVA اين قدرت را دارد که پيوندهاي درون DNA را بشکند و باعث جهش شود و سلول را از انجام فعاليت هاي طبيعي آن بازدارد.

اما دانشمندان توانستند با استفاده از دو عدسي شيئي رودررو قدرت تفکيک در راستاي Z (يعني عمق) را افزايش دهند.

از آنجا که زاويه جمع آوري نور زياد مي شود دستيابي به قدرت تفکيک 100 نانومتر امکان پذير مي شود. با اين همه در اين روش قدرت تفکيک فقط در يک راستا زياد مي شود. علاوه بر اين دشواري هاي فني هم وجود دارد که از جمله آنها مي توان به نگهداري شي ء موردنظر در راستاي درست و صحيح اشاره کرد.مولکول هاي نور کليد زن مي توانند تصويربرداري از نمونه هاي زنده در مقياس نانومتر را امکان پذير کنند.

اگر مولکول ها در نقطه کوچکي از نمونه در حالت روشن (on) باشد و يک پرتو دونات شکل (شيريني حلقه يي) حوالي اين نقطه در حالت خاموش(off) باشد نقطه موثري که از آن پرتو فلورسنت بازتابيده مي شود، بسيار کوچک تر مي شود. در حقيقت با استفاده از ميکروسکوپ هاي «کاهش نشر تحريک شده» (STED) دستيابي به قدرت تفکيک در مقياس ده ها نانومتر امکان پذير شده است.

در اين روش از اصول تشريح شده استفاده مي شود، هرچند تاکنون مشخص نشده که آيا اين روش براي تصويربرداري از سلول هاي زنده مناسب است يا خير. اگر در اين روش از پروتئين ها يا رنگ هاي نور کليد زدني استفاده شود، به قدرت تفکيک بيشتري نياز نيست.

روشي ديگر براي اسکن کردن يک نقطه در يک نمونه استفاده از روش پراش است که روي جسم تابانده مي شود تا تابش فلورسنت در خط باريکي متمرکز شود. سپس الگو را مي توان در کل نمونه اسکن کرد. هر چند در اين روش براي ارائه نتيجه نهايي به تهيه چندين تصوير با قدرت تفکيک زياد نياز است، با اين همه تهيه تصوير سريع تر از روش هاي پيشين است.

علاوه بر اينها يک روش ديگر براي تصويربرداري در مقياس نانو با استفاده از رنگ ها و پروتئين هاي نور کليدزدني اين است که در ابتدا همه مولکول هاي درون نمونه در حالت خاموش باشند. سپس شدت فعال سازي را در حدي تنظيم کنيم که فقط چند مولکول روشن باشند.

با توجه به ميزان درخشندگي مولکول ها مي توان موقعيت مولکول ها را با دقت ده ها نانومتر محاسبه کرد. پس از انجام تصويربرداري، مولکول ها خاموش مي شوند و در ادامه اين فرآيند مولکول هاي ديگر روشن مي شوند. تصوير نهايي از ترکيب چندين تصوير تهيه مي شود.

نقطه ضعف اين روش آن است که با توجه به تصويربرداري تنها چند مولکول در هر مرحله به صدها تصوير نياز داريم در نتيجه اين روش بسيار کند است و مناسب تصويربرداري از نمونه هاي زيستي نيست. هرچند اين تکنيک هاي باتفکيک بسيار بالا هنوز به صورت تجاري در دسترس نيست، اما انتظار مي رود اين وضعيت تا چند سال آينده تغيير کند.

مطالب داغ امروز :

چرا پیاز اشکتان را در می آورد؟

پیاز به خانواده ای از گیاهان به نام آلیوم ها تعلق دارد، که شامل تره …

چرا دو قلوهای یکسان(Identical) دقیقاً یکسان نیستند؟

گرچه دو قلوهای یکسان (دو قلوهایی که هر دو از یک سلول تخم هستند) DNA …