میکروسکوپی ورقه‌صوتی غیرخطی: تصویربرداری از بافت‌های کدر در مقیاس مویرگی و سلولی

خلاصه‌ی مقدمه‌ای

پیشرفت‌ در زیست‌شناسی اغلب نیازمند ابزارهایی است که بتوانند آنچه درون بافت‌های زنده رخ می‌دهد را با وضوحی بی‌سابقه آشکار کنند. روش‌های نوری مانند میکروسکوپی ورقه‌نوری اگرچه برای مشاهده فرآیندهای سلولی بسیار کارآمدند، اما تنها در نمونه‌های شفاف کاربرد دارند و برای سلول‌ها آسیب‌زا هستند. اکنون پژوهشگران با ترکیب فیزیک امواج فراصوت فرکانس‌بالا و نشانگرهای ژنتیکی جدید، گونه‌ای تازه از تصویربرداری را توسعه داده‌اند: میکروسکوپی ورقه‌صوتی غیرخطی. این فناوری امکان مشاهده ساختارها و فرآیندهای سلولی در عمق بافت‌های کاملاً کدر را فراهم می‌کند چیزی که پیش‌تر غیرممکن بود. این روش می‌تواند ساختارهای مویرگی، تومورها، جریان خون و سیگنال‌های مولکولی را با دقتی همانند روش‌های نوری اما در عمق بیشتر نشان دهد و دریچه‌ای تازه برای مطالعات زیستی و پزشکی باز کند.

مقدمه

پیشبرد اکتشافات در حوزه زیست‌شناسی اغلب به روش‌های تازه‌ای برای دیدن و تصورسازی نیاز دارد. یکی از آموزنده‌ترین روش‌ها برای مشاهده فرآیندهای سلولی پویا در موجودات زنده، میکروسکوپی ورقه‌نوری (light-sheet microscopy) است که از گزارشگرهای فلورسنت رمزگذاری‌شده ژنتیکی بهره می‌گیرد.

با این حال، میکروسکوپی نوری برای سلول‌ها فتوتوکسیک است و کاربرد آن به مطالعه نمونه‌های نازک و شفاف محدود می‌شود.

فیزیک فراصوت فرکانس‌بالا (high-frequency ultrasound) به‌طور ایده‌آل برای تصویربرداری سلولی درون‌تنی مناسب است، زیرا ترکیبی از نفوذ عمقی زیاد (~۱ سانتی‌متر) و تفکیک‌پذیری فضایی–زمانی بالا (~۱۰۰ میکرون، ۱ میلی‌ثانیه) را فراهم می‌کند.

افزون بر این، معرفی اخیر وزیکول‌های گازی (gas vesicles – GVs) که به‌طور ژنتیکی رمزگذاری می‌شوند و نقش «پروتئین فلورسنت سبز برای فراصوت» را دارند، فرصت‌های جدیدی برای مطالعه عملکرد سلولی در محیط زنده ایجاد کرده است.

برای آنکه فراصوت بتواند قابلیت‌هایی مشابه میکروسکوپی نوری مبتنی بر پروتئین‌های فلورسنت به دست آورد، لازم است روش‌هایی بسیار سریع، با وضوح بالا و حجمی برای تصویربرداری فراصوت توسعه یابد؛ روش‌هایی که قادر به مشاهده ژن‌های گزارشگر صوتی (acoustic reporter genes) و زیست‌حسگرهای صوتی باشند.

اگر این هدف محقق شود، پژوهشگران قادر خواهند بود زیست‌شناسی سلولی درون‌تنی را که تاکنون دست‌نیافتنی بود، با محتوای اطلاعاتی، وضوح، پوشش و قابلیت انتقال بی‌سابقه برای پژوهش‌های زیستی و توسعه بالینی مطالعه کنند.

منطق انجام پژوهش

ما مفهوم میکروسکوپی ورقه‌صوتی غیرخطی (Nonlinear Sound-Sheet Microscopy – NSSM) را معرفی می‌کنیم؛ روشی که توانایی تشخیص همزمان وزیکول‌های گازی رمزگذاری‌شده ژنتیکی (GVs) و میکروحباب‌های مصنوعی دارای غشای لیپیدی (MBs) را در برش‌های نازک بافت زنده دارد.

ایده اصلی این روش، مدوله‌کردن فشار صوتی در امتداد لوب اصلی پرتوهای فراصوت غیرفرقانی (nondiffractive) است تا پراکندگی غیرخطی GVs و MBs در لایه‌های بسیار نازک بافتی محدود شود.

از آنجا که GVs و MBs نسبت به افزایش سطح فشار صوتی پاسخ غیرخطی نشان می‌دهند، می‌توان آن‌ها را از بافت‌های پیرامونی که به‌طور خطی نسبت به فشار واکنش نشان می‌دهند، تمایز داد.

برای بیشینه‌کردن میدان دید حجمی NSSM، این روش بر پایه رده‌ای از مبدل‌های فراصوت فرکانس‌بالا به نام آرایه‌های آدرس‌دهی‌شده سطر–ستون (row-column–addressed – RCA) توسعه یافت.

در پیاده‌سازی فعلی، میدان دید تصویربرداری تقریباً ۱ سانتی‌متر مکعب است.

نتایج

۱. تشخیص ژن‌های گزارشگر صوتی باکتریایی در سه بُعد

نخست، قابلیت NSSM برای تشخیص ژن‌های گزارشگر صوتی باکتریایی در سه بُعد ارزیابی شد.
باكتری اشرشیاکُلی (Escherichia coli) که به‌طور پایا برای بیان GVs با پراکندگی غیرخطی مهندسی شده بود، با موفقیت در دو جهت عمود برهم یک آرایه RCA با فرکانس ۱۵ مگاهرتز شناسایی شد.

با جاروب‌کردن صفحه ورقه‌صوتی در دو جهت عمود برهم به‌صورت الکترونیکی، توانستیم تصاویر حجمی از ژن‌های گزارشگر صوتی باکتریایی در ابعاد:

۱۰ × ۸٫۸ × ۸٫۸ میلی‌متر

به‌دست آوریم.

۲. تصویربرداری طولی از تومورهای دارای برچسب ژنتیکی

در گام دوم، تصویربرداری NSSM به‌صورت طولی روی تومورهایی با برچسب ژنتیکی انجام شد و الگوهای سه‌بعدی بیان GVs طی چند روز آشکار گردید.

نشان دادیم که NSSM قادر است رشد تومور را پایش کند و همچنین حجم تومور و هسته نکروزی (necrotic core) را اندازه‌گیری نماید.

۳. تشخیص میکروحباب‌های لیپیدی مصنوعی

در ادامه، نشان دادیم که NSSM توانایی تشخیص میکروحباب‌های مصنوعی با غشای لیپیدی (synthetic lipid-shelled microbubbles)  که به‌عنوان ماده کنتراست رزنانس فراصوت و گزارشگر عروقی استفاده می‌شوند را دارد.

با بهره‌گیری از NSSM با نرخ‌های تصویربرداری در حد کیلوهرتز و در صفحات دلخواه، توانستیم تصاویر داپلر غیرخطی از شبکه عروقی مغز موش صحرایی در سراسر مغز به‌دست آوریم.

۴. آشکارسازی شبکه مویرگی مغز با ترکیب NSSM و میکروسکوپی مکان‌یابی فراصوت

در نهایت، ترکیب NSSM با میکروسکوپی مکان‌یابی فراصوت (ultrasound localization microscopy) امکان نقشه‌برداری از جریان خون مغزی کمتر از ۳ میلی‌متر بر ثانیه را فراهم کرد؛ امری که منجر به آشکارسازی شبکه مویرگی در مغز زنده موش در برش‌هایی با ضخامت ۱۰۰ میکرون شد.

جمع‌بندی

ما توانایی NSSM را در محدودسازی پراکندگی غیرخطی GVs ژنتیکی و MBs مصنوعی به برش‌های بافتی کدر به ضخامت یک طول‌موج نشان دادیم.

NSSM روشی است که می‌توان آن را برای سرعت بالا یا پوشش حجمی گسترده بهینه‌سازی کرد:

• در دو بُعد و در فرکانس ۱۵ مگاهرتز → امکان اسکن ۱ سانتی‌متر عمق با نرخ نظری ۲۵٫۶ کیلوهرتز وجود دارد.

• در سه بُعد → می‌توان حجم ۱۰ × ۸٫۸ × ۸٫۸ میلی‌متر را با نرخ نظری ۲۳۳ حجم بر ثانیه تصویربرداری کرد.

برای بهره‌گیری کامل از NSSM، لازم است نسل‌های جدیدی از ژن‌های گزارشگر صوتی درخشان‌تر و زیست‌حسگرهای سریع‌تر توسعه یابد.

علاوه بر این، حساسیت NSSM باید بیشتر افزایش یابد تا تشخیص تک‌سلولی ممکن شود.

در صورت تحقق این پیشرفت‌ها، NSSM موجی از فرصت‌ها را برای تصویربرداری پویا از فرآیندهای زیستی در مقیاس‌های مختلف به همراه خواهد آورد.

منابع / توضیحات

این متن ترجمه خلاصه مقاله پژوهشی (Research Article Summary) منتشرشده در مجله Science است.
اطلاعات کتابشناختی و ارجاعات تکمیلی در نسخه کامل مقاله موجود است.