ภายในเซลล์ที่มีชีวิต โปรตีนและโมเลกุลอื่นๆ มักจะรวมตัวกันอย่างแน่นหนา กระจุกที่มีความหนาแน่นสูงเหล่านี้สร้างภาพได้ยาก เนื่องจากฉลากเรืองแสงที่ใช้เพื่อทำให้มองเห็นได้ไม่สามารถเกาะติดระหว่างโมเลกุลได้
นักวิจัยของ MIT ได้พัฒนาวิธีการใหม่ในการเอาชนะข้อจำกัดนี้และทำให้โมเลกุลที่ “มองไม่เห็น” เหล่านั้นมองเห็นได้ เทคนิคของพวกเขาช่วยให้พวกเขาสามารถ “ลดจำนวน” โมเลกุลโดยการขยายตัวอย่างเซลล์หรือเนื้อเยื่อก่อนที่จะติดฉลากโมเลกุล ซึ่งทำให้โมเลกุลสามารถเข้าถึงแท็กเรืองแสงได้มากขึ้น
วิธีนี้ซึ่งสร้างขึ้นจากเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายซึ่งเรียกว่ากล้องจุลทรรศน์ขยายขยายที่พัฒนาขึ้นก่อนหน้านี้ที่ MIT ควรอนุญาตให้นักวิทยาศาสตร์เห็นภาพโมเลกุลและโครงสร้างเซลล์ที่ไม่เคยเห็นมาก่อน
“เป็นที่ชัดเจนว่ากระบวนการขยายตัวจะเปิดเผยการค้นพบทางชีววิทยาใหม่ ๆ มากมาย หากนักชีววิทยาและแพทย์ได้ศึกษาโปรตีนในสมองหรือตัวอย่างทางชีววิทยาอื่น ๆ และพวกเขากำลังติดฉลากตามปกติ พวกมันอาจขาดปรากฏการณ์ทั้งหมวดหมู่” เอ็ดเวิร์ด บอยเดน ศาสตราจารย์ Y. Eva Tan ในด้านเทคโนโลยีประสาทกล่าว ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวภาพและสมองและวิทยาศาสตร์ความรู้ความเข้าใจที่ MIT ผู้ตรวจสอบสถาบันการแพทย์ Howard Hughes และสมาชิกของสถาบัน McGovern เพื่อการวิจัยสมองของ MIT และสถาบัน Koch สำหรับการวิจัยมะเร็งเชิงบูรณาการ
โดยใช้เทคนิคนี้ Boyden และเพื่อนร่วมงานของเขาแสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถจินตนาการถึงโครงสร้างนาโนที่พบในไซแนปส์ของเซลล์ประสาท พวกเขายังถ่ายภาพโครงสร้างของแผ่นโลหะเบต้าอะไมลอยด์ที่เชื่อมโยงกับโรคอัลไซเมอร์อย่างละเอียดยิ่งขึ้นกว่าที่เคยเป็นมาก่อน
“เทคโนโลยีของเราซึ่งเราเรียกว่าการเปิดเผยการขยายตัวช่วยให้มองเห็นโครงสร้างนาโนเหล่านี้ซึ่งก่อนหน้านี้ยังคงซ่อนอยู่โดยใช้ฮาร์ดแวร์ที่หาได้ง่ายในห้องปฏิบัติการทางวิชาการ” Deblina Sarkar ผู้ช่วยศาสตราจารย์ใน Media Lab และหนึ่งในผู้เขียนนำของการศึกษากล่าว .
ผู้เขียนอาวุโสของการศึกษาคือ Boyden; Li-Huei Tsai ผู้อำนวยการสถาบัน Picower เพื่อการเรียนรู้และความทรงจำของ MIT; และ Thomas Blanpied ศาสตราจารย์ด้านสรีรวิทยาที่มหาวิทยาลัยแมริแลนด์ ผู้เขียนนำคนอื่นๆ ได้แก่ Jinyoung Kang, MIT postdoc และ Asmamaw Wassie ซึ่งเป็นผู้รับ MIT PhD ล่าสุด การศึกษาปรากฏในวันนี้ในวิศวกรรมชีวการแพทย์ธรรมชาติ
ลดความแออัด
การถ่ายภาพโปรตีนจำเพาะหรือโมเลกุลอื่นๆ ภายในเซลล์จำเป็นต้องติดฉลากด้วยแท็กเรืองแสงที่ขนส่งโดยแอนติบอดีที่จับกับเป้าหมาย แอนติบอดีมีความยาวประมาณ 10 นาโนเมตร ในขณะที่โปรตีนในเซลล์โดยทั่วไปมักจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 2 ถึง 5 นาโนเมตร ดังนั้น หากโปรตีนเป้าหมายมีความหนาแน่นมากเกินไป แอนติบอดีก็จะเข้าไปไม่ถึง
นี่เป็นอุปสรรคต่อการถ่ายภาพแบบดั้งเดิมและยังเป็นกล้องจุลทรรศน์แบบขยายรุ่นเดิมซึ่ง Boyden พัฒนาขึ้น ครั้งแรก ในปี พ.ศ. 2558 ในกล้องจุลทรรศน์แบบขยายรุ่นเดิมนักวิจัยได้ติดฉลากเรืองแสงกับโมเลกุลที่น่าสนใจก่อนที่จะขยายเนื้อเยื่อ การติดฉลากเสร็จสิ้นก่อน ส่วนหนึ่งเป็นเพราะนักวิจัยต้องใช้เอนไซม์เพื่อตัดโปรตีนในตัวอย่างเพื่อให้สามารถขยายเนื้อเยื่อได้ ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถติดฉลากโปรตีนได้หลังจากขยายเนื้อเยื่อแล้ว
เพื่อเอาชนะอุปสรรคนั้น นักวิจัยต้องหาวิธีการขยายเนื้อเยื่อโดยปล่อยให้โปรตีนไม่เสียหาย พวกเขาใช้ความร้อนแทนเอ็นไซม์เพื่อทำให้เนื้อเยื่ออ่อนตัวลง ทำให้เนื้อเยื่อขยายได้ถึง 20 เท่าโดยไม่ถูกทำลาย จากนั้นโปรตีนที่แยกจากกันสามารถติดฉลากด้วยแท็กเรืองแสงหลังจากการขยายตัว
ด้วยโปรตีนจำนวนมากที่สามารถเข้าถึงได้สำหรับการติดฉลาก นักวิจัยสามารถระบุโครงสร้างเซลล์ขนาดเล็กภายในไซแนปส์ การเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ประสาทที่อัดแน่นไปด้วยโปรตีนอย่างหนาแน่น พวกเขาติดฉลากและแสดงภาพโปรตีน synaptic ที่แตกต่างกันเจ็ดชนิด ซึ่งช่วยให้พวกเขามองเห็น “นาโนคอลัมน์” โดยละเอียดซึ่งประกอบด้วยช่องแคลเซียมที่สอดคล้องกับโปรตีน synaptic อื่นๆ นาโนคอลัมน์เหล่านี้ซึ่งเชื่อกันว่าช่วยให้การสื่อสารแบบ synaptic มีประสิทธิภาพมากขึ้น ถูกค้นพบครั้งแรกโดยห้องปฏิบัติการของ Blanpied ในปี 2016
“เทคโนโลยีนี้สามารถใช้เพื่อตอบคำถามทางชีววิทยามากมายเกี่ยวกับความผิดปกติของโปรตีน synaptic ซึ่งเกี่ยวข้องกับโรคทางระบบประสาท” Kang กล่าว “จนถึงขณะนี้ยังไม่มีเครื่องมือใดในการแสดงภาพ synapse ได้เป็นอย่างดี”
ลายใหม่
นักวิจัยยังใช้เทคนิคใหม่นี้ในการสร้างภาพ beta amyloid ซึ่งเป็นเปปไทด์ที่สร้างแผ่นโลหะในสมองของผู้ป่วยอัลไซเมอร์ นักวิจัยพบว่าการใช้เนื้อเยื่อสมองจากหนูทดลองพบว่า amyloid beta ก่อตัวเป็น nanoclusters เป็นระยะๆ ซึ่งไม่เคยเห็นมาก่อน กลุ่มของ amyloid beta เหล่านี้รวมถึงช่องโพแทสเซียมด้วย นักวิจัยยังพบโมเลกุล amyloid beta ที่สร้างโครงสร้างเป็นเกลียวตามซอน
“ในบทความนี้ เราไม่ได้คาดเดาว่าชีววิทยานั้นอาจหมายถึงอะไร แต่เราแสดงให้เห็นว่ามันมีอยู่จริง นั่นเป็นเพียงตัวอย่างหนึ่งของรูปแบบใหม่ที่เราสามารถมองเห็นได้” Margaret Schroeder นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ MIT ซึ่งเป็นผู้เขียนบทความนี้กล่าว
Sarkar กล่าวว่าเธอรู้สึกทึ่งกับรูปแบบชีวโมเลกุลระดับนาโนที่เทคโนโลยีนี้เปิดเผย “ด้วยพื้นฐานด้านนาโนอิเล็กทรอนิกส์ ฉันได้พัฒนาชิปอิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการการจัดตำแหน่งที่แม่นยำอย่างยิ่งในนาโนแฟบ แต่เมื่อผมเห็นว่าในสมองของเรา Mother Nature ได้จัดโมเลกุลชีวโมเลกุลด้วยความแม่นยำระดับนาโน ซึ่งทำให้ผมต้องทึ่งจริงๆ” เธอกล่าว
Boyden และสมาชิกในกลุ่มกำลังทำงานร่วมกับห้องปฏิบัติการอื่นๆ เพื่อศึกษาโครงสร้างเซลล์ เช่น การรวมตัวของโปรตีนที่เชื่อมโยงกับโรคพาร์กินสันและโรคอื่นๆ ในโครงการอื่นๆ พวกเขากำลังศึกษาเชื้อโรคที่ติดเชื้อในเซลล์และโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับการชราภาพในสมอง ผลลัพธ์เบื้องต้นจากการศึกษาเหล่านี้ได้เปิดเผยโครงสร้างที่แปลกใหม่ด้วย Boyden กล่าว
“ครั้งแล้วครั้งเล่า คุณเห็นสิ่งที่น่าตกใจจริงๆ” เขากล่าว “มันแสดงให้เราเห็นว่าเรายังขาดการย้อมสีแบบคลาสสิกที่ยังไม่ได้ขยาย”
นักวิจัยกำลังทำงานเพื่อปรับเปลี่ยนเทคนิคเพื่อให้สามารถแสดงภาพโปรตีนได้ถึง 20 ชนิดในแต่ละครั้ง พวกเขายังกำลังทำงานเพื่อปรับกระบวนการเพื่อให้สามารถใช้กับตัวอย่างเนื้อเยื่อของมนุษย์ได้
ในทางกลับกัน Sarkar และทีมของเธอกำลังพัฒนาอุปกรณ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่ขับเคลื่อนด้วยไร้สาย ซึ่งสามารถกระจายไปยังสมองได้ พวกเขาวางแผนที่จะรวมอุปกรณ์เหล่านี้เข้ากับการเปิดเผยส่วนขยาย “สิ่งนี้สามารถรวมความฉลาดของนาโนอิเล็กทรอนิคส์เข้ากับความสามารถในการขยายขนาดนาโนเทคโนโลยีเพื่อความเข้าใจด้านการทำงานและโครงสร้างของสมองแบบบูรณาการ” ซาร์การ์กล่าว
การวิจัยได้รับทุนจากสถาบันสุขภาพแห่งชาติ, มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ, มูลนิธิครอบครัวลุดวิก, มูลนิธิ JPB, โครงการการกุศลแบบเปิด, John Doerr, Lisa Yang และศูนย์วิจัยออทิสติก Tan-Yang ที่ MIT กองทัพสหรัฐฯ สำนักงานวิจัย, Charles Hieken, Tom Stocky, Kathleen Octavio, Lore McGovern, Good Ventures และ HHMI
