מיקרוסקופ חדשני ליצירת תמונות תלת-ממדיות

מדענים הצליחו להדגים כיצד פועלת שיטה ליצירת תמונות תלת-ממדיות של מבנים ביולוגיים בתנאים רגילים תוך קבלת כושר הפרדה גבוה הרבה יותר מזה של שיטות קיימות אחרות. השיטה תוכל לסייע להבנת אופן התקשורת של התאים אחד עם משנהו ולספק תובנות חשובות למהנדסים המפתחים איברים מלאכותיים, כגון עור ורקמת לב

מדענים מאוניברסיטת טקסס הצליחו להדגים כיצד פועלת שיטה ליצירת תמונות תלת-ממדיות של מבנים ביולוגיים בתנאים רגילים תוך קבלת כושר הפרדה גבוה הרבה יותר מזה של שיטות קיימות אחרות. השיטה תוכל לסייע להבנת אופן התקשורת של התאים אחד עם משנהו ולספק תובנות חשובות למהנדסים המפתחים איברים מלאכותיים, כגון עור ורקמת לב. מצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Communications.

המדענים, בראשותו של הפיזיקאי Ernst-Ludwig Florin, השתמשו בשיטה החדשנית שלהם, המכונה בשם ‘דימות של רעש תרמי’ (thermal noise imaging), על מנת לקבל תמונות ברמה ננומטרית של רשתות סיבי קולגן, המהווים חלק מרקמת החיבור הנמצאת בעור של בע”ח. בדיקת סיבי הקולגן בקנה מידה כזה מאפשרת למדענים למדוד, לראשונה אי פעם, מאפיינים עיקריים המשפיעים על הגמישות של העור, ממצאים שיוכלו להוביל לשיפור העיצובים של רקמות עור מלאכותיות. קבלת תמונות תלת ממדיות ברורות של מבנים ננומטריים בדגימות ביולוגיות מהווה אתגר לא פשוט, בחלקו בגלל נטייתם של המבנים הביולוגיים להיות גמישים וטבולים בתמיסה נוזלית. המשמעות היא ששינויים זעירים בחום גורמים למבנים לנוע הלוך וחזור, תוצא הידוע בשם ‘תנועה בראונית’. על מנת להתגבר על הטשטוש בתמונה שתוצא זה יוצר, משתמשים לרוב בשיטות דימות אחרות שמטרתן לתקן את התמונות המתקבלות על ידי הוספת כימיקלים המביאים להקשחת מבנים שונים, אולם, במקרים אלו, החומרים מאבדים את התכונות המכאניות הטבעיות והמקוריות שלהם. מדענים יכולים לעיתים לתקן את הטשטוש במידה והם מתמקדים במבנים קשיחים הקשורים למשטחים, כגון זכוכית, אולם מדידה זו מגבילה את סוגי המבנים הניתנים למחקר.

המדענים נקטו בגישה אחרת. על מנת לקבל תמונה, הם הוסיפו ננו-כדוריות – חרוזים בגודל ננומטרי המחזירים מפני השטח שלהם קרינת לייזר – לדגימות הביולוגיות בתנאים טבעיים, הפעילו אלומת לייזר לעבר הדגימה תוך קבלת תצלומים סופר-מהירים של ננו-הכדוריות כפי שהן נראות דרך מיקרוסקופ אור רגיל. המדענים מסבירים כי השיטה שלהם, דימות של רעש תרמי, פועלת בדומה לאופן הבא: דמיינו לעצמכם שאתם צריכים לצלם תמונה תלת-ממדית של חדר בתנאים של חושך מוחלט. אם תזרקו כדור גומי זוהר לחדר ותשתמשו במצלמה על מנת לאסוף סדרה של צילומים סופר-מהירים של הכדור המנתר לו בחדר, תשימו לב כי הוא לא מסוגל לעבור דרך עצמים מוצקים כגון שולחנות וכיסאות. שילוב של מיליוני תמונות כאלו שנאספו בדרך זו יאפשר ליצור תמונה של העצמים הנמצאים בחדר החשוך (הנקודות במרחב שבהן הכדור לא עבר) ושל שאר החלל שבו לא נמצאים עצמים (הנקודות במרחב שבהן הכדור כן הצליח לעבור). בשיטת דימות של רעש תרמי, החלופה של כדור הגומי היא הננו-כדורית שנעה במרחב בתנועה בראונית טבעית. “התנודות הכאוטיות הללו מהוות מטרד רציני ברוב שיטות המיקרוסקופיה מאחר והן גורמות לטשטוש התמונה,” אומר החוקר הראשי. “לעומת זאת, אנו השתמשנו בכאוס הזה לטובתנו. בנוסף, אנו לא צריכים לפתח מנגנון מורכב בכדי להזיז את הגלאי שלנו. אנו יושבים בנוחות ונותנים לטבע לעשות את שלו”.

הרעיון המקורי באשר לשיטת דימות של רעש תרמי פורסם וקיבל פטנט כבר בשנת 2001, אולם אתגרים טכניים מנעו ממנה, עד היום, מלהפוך לתהליך יישומי מתפקד במלואו. האמצעי החדש מאפשר לחוקרים למדוד, לראשונה אי פעם, את התכונות המכאניות של סיבי קולגן במערכות ביולוגיות. קולגן הינו ביו-פולימר היוצר פיגומים לתאים בעור ותורם לגמישות העור. מדענים עדיין לא בטוחים כיצד רשת הקולגן מולידה את הגמישות של העור, שאלה חשובה שמחייבת מענה אם רוצים לפתח רקמות עור מלאכותיות מתפקדות כהלכה. “אם אתה רוצה ליצור עור מלאכותי, אתה חייב להבין מהם יחסי הגומלין בין הרכיבים הטבעיים,” אמר החוקר. “בשלב הבא ניתן יהיה לעצב רשת קולגן טובה יותר המתפקדת בתור פיגום המעודד תאים לגדול באופן הראוי”.

הידיעה על המחקר

המאמר המקורי