פריצת דרך הדמיה כלי מפות הרכב של תאים 3-D

Anonim

מכשיר חד-פעמי שנבנה ב- CSU מאפשר למדענים למפות את הרכב התאים בשלושה מימדים בננומטריה, ומאפשר לחוקרים לראות כיצד תאים מגיבים לתרופות חדשות ברמה הגבוהה ביותר שנצפתה אי-פעם.

מערכת ההדמיה המונית-ספקטראלית החדשה היא הראשונה מסוגה בעולם ויישומה מתחיל רק לפני השטח, אמרה כרמן מנוני, פרופסור מכובד במחלקה להנדסת חשמל ומחשבים.

סוגיה מיוחדת של אופטיקה Photonics חדשות בחודש שעבר מדגיש את המחקר CSU בקרב "המחקר הכי מרגש אופטיקה סקר עמיתים יש צמחו במהלך 12 החודשים האחרונים." העורכים זיהו את מכשיר ההדמיה בין "פריצות דרך מעניינות" לקהילת האופטיקה.

קבוצתו של מנוני, בשיתוף פעולה עם קבוצת סגל בינתחומית, פיתחה ובנתה את המכשיר בעזרת סטודנטים. היא מצאה שותף במעבדות המחקר המפורסמות של ה- CSU, אשר מבקשות טיפולים חדשים למגע העולמי של שחפת.

השותפים תיארו את המערכת במאמר שפורסם בתחילת השנה בטבע תקשורת.

פרט חסר תקדים

דין קריק, פרופסור החוקר שחפת, שיתף פעולה עם Menoni כדי לחדד את מערכת ספקטרומטר המונית הדמיה. הוא אמר כי המכשיר יאפשר לו לבחון תאים ברמה של 1, 000 פעמים קטן יותר מזה של שיער אדם - פי 100 יותר מפורט ממה שהיה קודם לכן.

זה ייתן לחוקרים את היכולת לבחון עד כמה ניסויים סמים ניסויים מעובדים על ידי תאים כמו תרופות חדשות מפותחים להילחם במחלות.

עניין המחקר העיקרי של קריק הוא שחפת, מחלה זיהומית מדבקת התורמת ל -1.5 מיליון מקרי מוות ברחבי העולם מדי שנה.

"פיתחנו מכשיר הרבה יותר מעודן", אמר קריק. "זה כמו ללכת משימוש בסכין עמום כדי להשתמש באזמל, אתה יכול להשרות תא בתרופה חדשה ולראות איך זה נספג, כמה מהר, וכיצד הוא משפיע על הכימיה של התא".

הדור הקודם של לייזר מבוסס מסה הדמיה ספקטרלית יכול לזהות את ההרכב הכימי של התא יכול למפות את פני השטח שלה בשני ממדים על מיקרוסקל, אבל לא יכול תרשים אנטומיה הסלולר ב ננו מפורט יותר ב 3-D, אמר קריק.

יישומים אפשריים

בנוסף לתצפית כיצד תאים מגיבים לתרופות חדשות, הוא אמר, החוקרים יכולים להשתמש בטכנולוגיה כדי לזהות את מקורות הפתוגנים המופצים לטרור ביולוגי.

המכשיר עשוי לשמש גם כדי לחקור דרכים חדשות להתגבר על עמידות אנטיביוטית בקרב חולים עם שתלים כירורגיים.

"ייתכן שתוכל להתאים אישית טיפולים עבור סוגי תאים ספציפיים בתנאים מסוימים, " אמר קריק.

מכשיר ה- CSU יכסה את שולחן האוכל הממוצע. המאפיינים המרכזיים שלו הם טכנולוגיית הדמיה המונית ספקטרומטר לייזר אולטרה סגול קיצוניים.

חורחה Rocca, גם אוניברסיטת פרופסור נכבד במחלקה להנדסת חשמל והנדסה, יצרה את הלייזר המצורפת ספקטרומטר. הקורה שלו הוא בלתי נראה לעין האדם נוצר על ידי זרם חשמלי 20, 000 פעמים חזק יותר מזה של צינורות ניאון רגיל אורות התקרה, וכתוצאה מכך זרם זעיר של פלזמה כי הוא חם מאוד צפוף. פלזמה פועלת כמדיום רווח ליצירת פולסים קיצוניים של לייזר אולטרה-סגול.

לייזר יכול להיות ממוקד לירות לתוך מדגם התא; בכל פעם הלייזר מקדחות חור זעיר, חלקיקים טעונים זעירים, או יונים, להתאדות משטח התא. יונים אלה עשויים להיות מופרדים מזוהה, המאפשר למדענים לקבוע הרכב כימי.

הרסיסים המיקרוסקופיים הנפלטים מכל חור מאפשרים למדענים לשרטט את האנטומיה של פיסת התא, בשלושה ממדים, בקנה מידה שלא נראה מעולם, אמרו המדענים.

הפרויקט מומן עם 1 מיליון דולר מהמכון הלאומי לבריאות כחלק מענק למרכז רוקי מאונטן איזורי למצוינות בתחום החיסון הביולוגי ומחלות מדבקות מתפתחות.

הציוד האופטי שממקד את קרן הלייזר נוצר על ידי המרכז עבור אופטיקה של X-Ray במעבדה הלאומית לורנס ברקלי בברקלי, קליפורניה.

מערכת CSU קיבלה לאחרונה תמיכה בתכנון הנדסי של המערכת מסמנס. החברה העניקה לצוות CSU מענק אקדמי לחבילת התוכנה NX, הכוללת 30 רשיונות ישיבה, בשווי של 37 מיליון דולר.

שותפי CSU נוספים

סגל CSU אחרים המעורבים בפרויקט כוללים פנג דונג אליוט ברנשטיין מהמחלקה לכימיה.

הסופרת המובילה בעיתון שפורסם בנטור תקשורת היא איליה קוזנצוב, דוקטורנטית למדעי המחשב בהנדסת חשמל ומחשבים.

"המערכת כולה נבנתה על ידי סטודנטים ופוסט-דוקטורט", אמר מנוני. "זה משהו שאנחנו גאים על עצמנו, כי התלמידים מקבלים חוויה בין תחומית.הגישה לתוכנות עיצוב כגון חבילת Siemens NX הוא קריטי עבור יצירת מכשירים אלה להכשרה סטודנטים."

המפתח לפרויקט היה שיתוף פעולה בין מדענים הבונים מכשירי היי-טק ואלה המשתמשים בהם לפתרון בעיות גלובליות.

"זה היה מאוד מעניין ללמוד איך לתקשר עם מהנדסים, " אמר קריק. "אנחנו לא חושבים, הם מבינים את הביולוגיה, כמו גם אני מבין את ההנדסה, אבל במשך השנים למדנו איך לדבר זה עם זה, וזה נחמד, אני רואה את הצורך במכשיר, אבל אין לי מושג איך לבנות את זה.

איך זה עובד:

בקצה אחד של המכשיר הוא לייזר מיוחד שנוצר בצינור גז מלא ארגון כאשר דופק של 60 קילוולט הוא משוחרר.

"זה כמו שביתת ברק בננו-שנייה, " אמרה כרמן מנוני, פרופסור מכובד באוניברסיטת החוג להנדסת חשמל ומחשבים.

הלייזר מודרך באמצעות תאים באמצעות מראות ו עדשות מיוחדות אשר ממקדים אותו לקוטר של פחות מ -100 ננומטר. בתא בצד הרחוק של ספקטרומטר, לייזר פוגע תא מדגם להציב בעזרת מיקרוסקופ.

"כאשר אתה מנסה להכות חיידק אחד עם לייזר, זה מסובך, אתה צריך לכוון היטב", אמר דין קריק, פרופסור CSU במחלקה של מיקרוביולוגיה, אימונולוגיה ופתולוגיה.

לאחר הלייזר מקדחות חור זעיר בתא, יונים טעונים נפלט לאחר הפיצוץ הזעיר נמשכים לתוך צינור צדדי באמצעות שדות אלקטרוסטטיים. המסה הגדולה יותר של החלקיקים הטעונים, כך היא יורדת לאט יותר לאורך הצינור; הזמן שלוקח יון להגיע גלאי נותן מדענים מידע על המסה שלה.

"זה כאילו יש לך מכונית ספורט ומשאית גדולה", אמרה איליה קוזנצוב, דוקטורנטית בהנדסת חשמל ומחשבים. "תארו לעצמכם שאתם מניחים את אותו מנוע בשני הדברים - הם ינועו במהירויות שונות, וככל שתאפשר להם ללכת יותר, כך הם יפרידו יותר, ולכן הצינור שלנו כל כך ארוך, כדי לאפשר את ההבחנה הזאת".

קבוצה של משאבות מיוחדות יוצרת ואקום גבוה מוצץ את כל האוויר מן הצינור, כדי להסיר כל חלקיקים זרים המדגם עלול להתנגש עם ו כדי להבטיח הפלגה חלקה באותה מידה עבור כל היונים.

"אם אתה רוצה להיות מרוץ מכוניות, אתה צריך להסיר את כל התנועה מן הכבישים, " הסביר קוזנצוב.

על ידי שמירה על תשלום כמות האנרגיה החלים על כל חלקיק עקבי, המונית הופכת את החתימה המפתח המספק לחוקרים עם כל הזהות הכימית של יון.

תוכנית מחשב שפותחה בתוך הבית מייצרת את הנתונים בספקטרום צבעים של המונים, אשר לאחר מכן משמש ליצירת מעין טופוגרפי הרכב הרכב התא.

menu
menu