3:30 ص
فيزياء الكم
أعلن فريق كولومبيا الذي يقف وراء المجهر الثنائي ثلاثي الأبعاد SCAPE اليوم عن إصدار جديد من تقنية التصوير عالية السرعة. وبالتعاون مع علماء من جميع أنحاء العالم ، استخدموا SCAPE 2.0 للكشف عن تفاصيل غير مألوفة سابقًا للمخلوقات الحية - من الخلايا العصبية التي تطلق داخل دودة متلألئة إلى الديناميات ثلاثية الأبعاد للقلب النابض لجنين السمك ، بدقة أعلى بكثير وفي سرعات تصل إلى 30 مرة أسرع من العرض الأصلي.
تعد هذه التحسينات التي أُجريت على SCAPE ، والتي نُشرت اليوم في Nature Methods ، بالتأثير على مجالات واسعة مثل علم الوراثة وأمراض القلب وعلم الأعصاب.
لماذا هو أسرع ، التصوير ثلاثي الأبعاد قيمة للغاية؟ وقالت إليزابيث هيلمان ، الدكتورة الرئيسية في جامعة مورتيمر بكولومبيا: "العمليات التي تحرك الكائنات الحية ديناميكية ومتغيرة باستمرار ، من الطريقة التي تتواصل بها خلايا الحيوان مع بعضها البعض ، إلى كيفية تحرك المخلوق وتغيير شكله". ب. زوكرمان معهد العقل العقل والسلوك وكاتب كبير في الصحيفة. "كلما تمكنا من الصورة بشكل أسرع ، كلما تمكنا من رؤية هذه العمليات بشكل أكبر - والتصوير السريع ثلاثي الأبعاد يتيح لنا رؤية النظام البيولوجي بالكامل ، وليس مجرد طائرة واحدة ، مما يوفر ميزة واضحة على المجاهر التقليدية."
عندما قدم فريق الدكتور هيلمان لأول مرة المجهري SCAPE (اجتاحت مستوي متحيز كونوكسي) قبل أربع سنوات ، تحدى نهجهم الافتراضات حول كيفية إنشاء صورة من الأنسجة الحية بسرعات عالية.
وقال فينكاتاكاوشيك فوليتي ، أول دكتوراه في الورقة ، "إن معظم المجاهر التي تعيش في عينات حية تفحص بقعة صغيرة من ضوء الليزر حول العينة ، لكن أسلوب مسح النقاط بطيء ، حيث يمنح فقط وقت قصير لرؤية كل بقعة". المؤلف الذي طور SCAPE 2.0 كمرشح الدكتوراه في مختبر الدكتور هيلمان. "يستخدم نظامنا ورقة من الضوء المائل أو الزاوي لإلقاء الضوء على مستوى الطائرة بالكامل داخل العينة ، ثم يكتسح هذه الورقة الخفيفة عبر العينة لتكوين صورة ثلاثية الأبعاد."
SCAPE 2.0 يلتقط تدفق الدم (الأرجواني) في قلب جنين الزرد النامية. الائتمان: مختبر هيلمان / معهد زوكرمان في كولومبيا
على الرغم من أن عينات التصوير التي تستخدم صفائح الضوء تعود إلى 100 عام ، إلا أن براعة SCAPE تكمن في الطريقة التي تنقل بها بسرعة ورقة الضوء وتركز صورة هذه الورقة مرة أخرى على كاميرا ثابتة باستخدام مرآة متحركة واحدة - مما يجعلها سريعة البرق وبشكل مدهش بسيط. بالإضافة إلى ذلك ، فإن SCAPE لطيف في العينات الحية لأنه يستخدم جزءًا صغيرًا فقط من الضوء الذي قد تحتاجه المجاهر التي تعمل على مسح النقاط للحصول على صور بسرعات مماثلة. يحقق SCAPE كل ذلك من خلال عدسة موضوعية واحدة ثابتة ، تفتح مساحة لمجموعة واسعة من العينات مقارنة بالمجاهر التقليدية للضوء التي تتطلب غرف عينة معقدة محاطة بالعديد من العدسات.
وقالت الدكتورة هيلمان ، التي تقود بشكل روتيني أنظمة SCAPE في صندوق سيارتها لإعطاء الباحثين مظاهرات عملية: "غالبًا ما يفاجأ الناس بمدى سرعة وسهولة استخدام SCAPE".
يعمل فريق الدكتورة هيلمان على مساعدة العلماء في جميع أنحاء العالم على استخدام SCAPE للبحث الخاص بهم ، أو دعوة العلماء إلى مختبرها في معهد زوكرمان في كولومبيا ، أو مساعدتهم في بناء أنظمتهم الخاصة ، وذلك بفضل الدعم المقدم من المعاهد الوطنية للصحة BRAIN مبادرة. يعمل الدكتور هيلمان أيضًا مع Leica Microsystems ، التي حصلت على ترخيص SCAPE وتقوم حاليًا بتطوير إصدار تجاري من النظام.
يعزو الدكتور هيلمان اهتمامًا واسعًا بـ SCAPE 2.0 إلى التطورات الرئيسية الحديثة في مجال وضع العلامات الفلورية ، والتي تتيح للعلماء صنع خلايا معينة في حيوان يتوهج بألوان مختلفة ، ويمكن حتى جعل الخلايا تنطفئ وتغلق عند الإشارة إلى بعضها البعض. كما تشير إلى التأثير المتزايد لحيوانات صغيرة شبه شفافة مثل الديدان C. elegans وأجنة الزرد وذبابة الفاكهة التي يمكن ملاحظتها أثناء السلوكيات الطبيعية ، أو يمكن تعديلها لتلخيص الأمراض التي تصيب الإنسان. يتم وضع SCAPE 2.0 في وضع مثالي لالتقاط سيمفونية الأحداث والحركات والاستجابات الخلوية التي تلعبها هذه الأنظمة الحية.
وقال الدكتور هيلمان ، وهو أيضًا أستاذ في الهندسة الطبية الحيوية: "في مقالتنا الجديدة ، نوضح كيف يمكن لـ SCAPE 2.0 تتبع الخلايا العصبية الفردية التي تطلق النار على حيوان كامل أثناء زحفه ، مما يتيح لنا نافذة جديدة حول كيفية توجيه النشاط العصبي لسلوك". في كولومبيا الهندسية.
SCAPE 2.0 يلتقط الخلايا العصبية داخل مخ الفأر كله. الائتمان: مختبر هيلمان / معهد زوكرمان في كولومبيا
على الرغم من استلهامه لاحتياجات علم الأعصاب ، يلاحظ الدكتور هيلمان أن العديد من طرق وضع العلامات المذكورة أعلاه والنماذج الحيوانية تعمل الآن على تحويل مجالات البحث الأخرى ، مما يتيح للعلماء استكشاف كيف تشير خلايا الورم السرطانية إلى بعضها البعض ، وكيف تجد الخلايا المناعية أهدافها أو كيف يمكن للقلب ويتأثر الجهاز القلبي الوعائي بالمخدرات والأمراض.
"من المثير حقًا رؤية التقنيات التي تحفزها مبادرة BRAIN ، والتي لها تأثيرات أوسع على العلوم والطب قال الدكتور هيلمان.
إدراكًا لهذه الفرصة ، اشترك الدكتور هيلمان مع أخصائي أمراض القلب للأطفال كيمارا تارغوف ، MD ، لوضع SCAPE 2.0 في دراسة كيفية تطور القلب. يستخدم مختبر الدكتور تارغوف الزرد كنموذج حيواني لفك الطفرات الجينية التي يمكن أن تسبب تشوهات القلب في الجنين. إن فهم كيف تؤدي هذه الطفرات إلى الإصابة بالمرض يمكن أن يساعد في علاج الأطفال الذين يعانون من أمراض القلب الخلقية.
وقال الدكتور تارغوف: "مشكلة تصوير القلب النابض هي أنه يدق بسرعة ، ويغير شكله حيث يتدفق الدم من خلاله في مجموعة واسعة من الاتجاهات. وهو أستاذ مساعد في طب الأطفال في كلية الأطباء والجراحين بكولومبيا في فاجيلوس ومؤلف مشارك في صحيفة اليوم. "مع SCAPE 2.0 ، يمكننا تصوير القلب النابض لجنين الزرد في ثلاثي الأبعاد وفي الوقت الفعلي ، مما يسمح لنا برؤية كيف تتسبب إشارات الكالسيوم المرسلة بين خلايا القلب في انقباض جدار القلب ، أو كيف تتدفق خلايا الدم الحمراء عبر القلب. باستخدام هذه المعرفة ، يمكننا تتبع كيف تؤثر طفرة جينية معينة على نمو القلب الطبيعي في بيئة تُلخص الحالة الطبيعية للقلب بشكل أوثق. "
كانت الرغبة في اتباع خلية دم حمراء واحدة أثناء انتقالها عبر القلب النابض قوة دافعة وراء دفع حدود السرعة لـ SCAPE 2.0.
SCAPE 2.0 يلتقط الحركة والنشاط العصبي لدودة C. elegans تتحرك بحرية. الائتمان: مختبر هيلمان / معهد زوكرمان في كولومبيا
للوصول إلى هذه السرعات غير المسبوقة ، عمل فريق الدكتور هيلمان عن كثب مع لامبرت إنسترومنتس ، مستفيدًا من كاميرا الشركة HiCAM Fluo فائقة السرعة. تم استخدام هذه الكاميرا لالتقاط الصور بأكثر من 18000 إطار في الثانية في قلب جنين الزرد النابض. هذا التكوين الجديد فتح الباب لتسجيل الخلايا العصبية الفردية التي تطلق في الديدان C. ايليجانس تتحرك بحرية ، وإعطاء أول رأي للنظام العصبي الكامل للحيوان في العمل. تتضمن ترقيات SCAPE 2.0 الأخرى كفاءة الإضاءة المحسّنة ، مجال رؤية أكبر ودقة مكانية محسّنة كثيرًا.
مكّنت دقة SCAPE 2.0 المحسّنة الفريق أيضًا من أخذ عينات من الصور تم إنشاؤها باستخدام إزالة الأنسجة وتوسيع الأنسجة. تتيح هذه الأساليب للعلماء رؤية البنى والوصلات في أعماق عينات سليمة ، من أدمغة الفأر بأكملها إلى الأورام والخزعات البشرية. على الرغم من أن هذه العينات ليست حية ، إلا أنها كبيرة جدًا وتستغرق وقتًا طويلاً في التصوير باستخدام المجاهر القياسية. توضح ورقة اليوم أن SCAPE 2.0 يمكن أن يصور هذه الأنواع من العينات بسرعات قياسية.
تواصل الدكتورة هيلمان وفريقها تطوير SCAPE وتحسينه لزيادة توسيع فائدته ، أثناء العمل مع مجموعة متنامية من المتعاونين ، من علماء الأعصاب بمعهد زوكرمان إلى عالمة البراكين في كولومبيا ، آينات ليف ، التي تستخدم SCAPE لصورة الطريقة التي تتشكل بها فقاعات الغاز أثناء الانفجارات البركانية.
يقوم فريق الدكتور هيلمان أيضًا بتطوير نسخة مصغرة من SCAPE للاستخدام الطبي ، للتمييز بسرعة بين الخلايا السليمة والمريضة داخل جسم المريض ، مما يتيح للأطباء طريقة جديدة لتوجيه كيفية إجراء العمليات الجراحية المعقدة في غرفة العمليات.
وقال الدكتور هيلمان ، وهو أيضًا أستاذ للأشعة في كلية فاجيلوس للأطباء والجراحين في كولومبيا: "إن قيود الأدوات والتقنيات غالباً ما تقيد ما يعتقد العلماء أنه يمكنهم دراسته". "يفتح تطبيق SCAPE 2.0 مشهدًا جديدًا من الأشياء التي يمكننا رؤيتها. آمل أن تلهم نتائجنا الجديدة العلماء للتفكير في الأسئلة الجديدة التي يمكن طرحها ، وما هي السبل الجديدة للاكتشاف العلمي التي يمكننا استكشافها بعد ذلك."
هذه الورقة بعنوان "المجهري الحجمي في الوقت الحقيقي من ديناميات في الجسم الحي والعينات على نطاق واسع مع SCAPE 2.0."
ليست هناك تعليقات: