מיקרו-תעלות וננו-גלאים בתחום האינפא-אדום לדימות ביורפואי
עבור אדי שרגא, שסיים לאחרונה תואר שני בהנדסת חשמל בהנחיית פרופ׳ גילי ביסקר מהמחלקה להנדסה ביורפואית, היה זה המפגש הראשון עם התולעים הידועות Caenorhabditis Elegans (C.elegans), והיה זה מפגש אפילו מיקרוסקופי.
במאמר שלו שפורסם לראשונה החודש במגזין “Advanced Materials Technologies” בנושא:
“Spatiotemporal Tracking of Near-Infrared Fluorescent Single-Walled Carbon Nanotubes in C. Elegans Nematodes Confined in a Microfluidics Platform”
מתאר אדי את השימוש החדשני בננו-צינוריות מפחמן פלואורסנטיות כננו-גלאים למעקב אחר מערכת העיכול של תולעת ה- C. elegans, פרופ' ביסקר וקבוצתה מפתחת במעבדה שלה ננו-חיישנים אופטיים תוך שימוש בתכונות האופטיות של ננו-צינוריות מפחמן כדי לזהות ולכמת מולקולות ביולוגיות בצורה ספציפית וסלקטיבית. בשנים האחרונות נערכו בין היתר גם מחקרים בנושאי דימות in vivo באורגניזמים ביולוגים מורכבים כדוגמת תולעי ה C. elegans תוך שימוש בננו-צינוריות פחמן כחיישנים אופטיים. בנוסף, היא חוקרת מערכות מורכבות מחוץ לשיווי משקל תרמודינמי, בהשראת מערכות ביולוגיות.
ננו-צינוריות פחמן כחיישני מעקב במערכת ההזנה של תולעי C. elegans
תולעי נמטודה מסוג C. elegans, הן אורגניזם מודל רב שימושי למחקרים ביולוגיים וביו-רפואיים מגוונים, המשתמשים בדמיון הגנטי שלהם לבני אדם, בגודלן הזעיר, ובשקיפות הגוף שלהן. עם זאת, הדמיית הפלואורסנציה שלהן יכולה להיות מאתגרת בשל פליטת אוטו-פלואורסנציה החזקה שלהן בטווח אורכי הגל הנראה לעין, תופעה שעלולה להסתיר את האות המתקבל למשל בעת דימות של חלבונים פלואורסנטים נפוצים או צבענים. ננו-צינוריות פחמן חד-שכבתיות (Single-walled carbon nanotubes, SWCNT) פולטות פלואורסנציה בטווח האינפרה-אדום הקרוב (Near infrared, NIR), שבו אין לתולעים רקע פלואורסנטי עצמי.
במחקר זה, פותחה פלטפורמה להדמיית אינפרה-אדום in vivo, במערכת העיכול של תולעי C. elegans, העושה שימוש בננו-צינוריות פחמן חד-שכבתיות בעלות תאימות פונקציונאלית ביולוגית. ננו-צינוריות הפחמן משמשות כסמני מעקב פלואורסנטיים בתוך מערכת העיכול של התולעת, המוחדרות לתולעת יחד עם צריכת המזון. תכונותיהן הייחודיות של ננו-צינוריות הפחמן מאפשרות מעקב ודימות לפרקי זמן ארוכים. בנוסף נעשה במחקר זה שימוש במנגנון בקרה תנועתית של התולעים על בסיס התקן מיקרו-פלואידיקה (Microfluidic device) על מנת להבטיח סביבת האכלה נטולת חומרי הרדמה, המאפשרת שליטה מרחבית וזמנית אופטימלית בתהליך ההדמיה.
איור מתוך המאמר: a) הדמיה מולטי ספקטרלית בתחומים של אורכי גל בתחום הנראה, אינפרה אדום ואור לבן, המראה קו-לוקליזציה ספקטרלית בתולעי C. elegans שבתוכן החיישנים המבוססים על ננו-צינוריות פחמן. b) דימות בתולעים חופשיות. c) דימות בתולעים כלואות בהתקן מיקרופלואידי על רקע אוטופלוארסנציה חזקה של התולעת בתחום הנראה.
בתמונה: המערכת והפרוצדורות הניסיוניות: a) הטענת ה- C. elegans לפלטפורמה המיקרופלואידית. b) דימות פלורסנטי בזמן אמת של הננוטויבס בתוך התולעים המוחזקות בתעלות המיקרופלואידיות.
אז מה חדש?
במחקר הודגם שיפור בקו-לוקליזציה (colocalization) הספקטרלית, יכולת זיהוי בזמן אמת של תנועת ננו-הצינוריות מפחמן בתוך גוף התולעת, ומעקב אחר מסלולי העיכול.
איך המחקר יכול לסייע בעתיד?
הפלטפורמה המוצעת מאפשרת יכולות הדמיה מתקדמות של תולעי C. elegans ,הן בטווח ארכי הגל הנראה והן בטווח האינפרה-אדום הקרוב, תוך הפרדה ספקטרלית. השימוש בחיישנים המבוססים על ננו-צינוריות מפחמן פותח אפיקים רבים למחקר ודימות באורגניזמים מיקרוסקופיים אחרים.
