میکروسکوپ الکترونی و اولتراساختار

میکروسکوپ الکترونی به جای نور از پرتو الکترون برای تصویربرداری از بافت استفاده می‌کند و به وضوح بسیار بالاتری دست می‌یابد و ساختارهای ظریف — اندامک‌ها، غشاها و آرایش‌های ماکرومولکولی — را که مجموعاً اولتراساختار نامیده می‌شوند، آشکار می‌سازد. از آنجا که طول موج الکترون‌ها بسیار کوتاه‌تر از نور مرئی است، این تکنیک جزئیات را بسیار پایین‌تر از حد میکروسکوپ نوری تفکیک می‌کند.

Definition

میکروسکوپ الکترونی یک تکنیک میکروسکوپی است که با استفاده از پرتو الکترون برای دستیابی به وضوح در مقیاس نانومتر، تصاویر را تشکیل می‌دهد؛ اولتراساختار به جزئیات ظریف سلولی و بافتی — اندامک‌ها و اجزای ماکرومولکولی — که در این وضوح آشکار می‌شوند، اشاره دارد.

Scope

این موضوع به بررسی دلایل دستیابی میکروسکوپ الکترونی به وضوح بالا، آماده‌سازی تخصصی نمونه که مورد نیاز است (فیکساسیون دقیق، جاسازی در رزین، برش‌های فوق‌نازک، رنگ‌آمیزی با فلزات سنگین)، و تمایز بین حالت‌های عبوری و روبشی می‌پردازد. این یک مرجع روش‌شناختی است و راهنمایی برای تفسیر بالینی ارائه نمی‌دهد.

Core questions

• چرا پرتو الکترونی جزئیات بسیار ظریف‌تری را نسبت به نور مرئی تفکیک می‌کند؟
• بافت برای میکروسکوپ الکترونی به چه آماده‌سازی تخصصی نیاز دارد؟
• میکروسکوپ الکترونی عبوری و روبشی در آنچه نشان می‌دهند چه تفاوتی دارند؟
• کنتراست در یک نمونه بیولوژیکی که ذاتاً کنتراست پایینی دارد، چگونه تولید می‌شود؟

Key concepts

• وضوح و طول موج الکترون
• میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)
• میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
• فیکساسیون گلوتارآلدئید و اسمیم
• جاسازی در رزین و برش‌گیری فوق‌نازک
• رنگ‌آمیزی با فلزات سنگین (اورانیل، سرب)
• تفسیر اولتراساختاری

Mechanisms

از آنجا که الکترون‌ها طول موج بسیار کوتاه‌تری نسبت به نور مرئی دارند، پرتو الکترونی می‌تواند ساختارها را تا مقیاس نانومتر تفکیک کند، که بسیار فراتر از حد پراش میکروسکوپ نوری است. برای مقاومت در برابر خلاء و پرتو و حفظ ساختار ظریف، بافت تحت شرایط سخت فیکس می‌شود — معمولاً فیکساسیون آلدئیدی و سپس تتراکسید اسمیم، بر اساس شیمی فیکساسیون آلدئیدی که توسط ساباتینی و همکاران (Sabatini, 1963) مشخص شده است — سپس در رزین جاسازی شده و به برش‌های فوق‌نازک بریده می‌شود. مواد بیولوژیکی الکترون‌ها را به طور ضعیف پراکنده می‌کنند، بنابراین کنتراست با رنگ‌آمیزی با نمک‌های فلزات سنگین افزایش می‌یابد؛ سیترات سرب در pH بالا به یک رنگ الکترون‌تیره استاندارد برای این منظور تبدیل شد (Reynolds, 1963). در میکروسکوپ الکترونی عبوری، الکترون‌ها از برش نازک عبور می‌کنند تا تصویری از ساختار داخلی تشکیل دهند، در حالی که در میکروسکوپ الکترونی روبشی، پرتو روی سطح نمونه روبش می‌شود و سیگنال‌های شناسایی شده یک تصویر سطحی سه‌بعدی ایجاد می‌کنند. اصول و تکنیک‌ها در مراجع استاندارد (Bozzola & Russell, 1999; Hayat, 2000) تثبیت شده‌اند.

Clinical relevance

بررسی اولتراساختاری به تحقیقات در زمینه زیست‌شناسی سلولی و به حوزه‌های منتخب آسیب‌شناسی تشخیصی که ساختار ظریف اطلاعاتی را ارائه می‌دهد، کمک می‌کند. این مدخل روش‌ها را به صورت مفهومی توضیح می‌دهد؛ نحوه تولید تصاویر اولتراساختاری را شرح می‌دهد و مبنایی برای تصمیم‌گیری‌های تشخیصی یا درمانی فردی نیست.

Evidence & guidelines

آماده‌سازی و تصویربرداری نمونه میکروسکوپ الکترونی در مراجع روش‌های تثبیت‌شده (Bozzola & Russell, 1999; Hayat, 2000) تثبیت شده است که بر اساس کارهای اولیه بنیادی در زمینه فیکساسیون آلدئیدی (Sabatini, 1963) و رنگ‌آمیزی با فلزات سنگین (Reynolds, 1963) بنا شده‌اند.

History

میکروسکوپ الکترونی در دهه 1930 توسعه یافت و در اواسط قرن بیستم، پس از اینکه روش‌های آماده‌سازی توانستند ساختار ظریف را حفظ کنند، برای بافت بیولوژیکی به کار گرفته شد. فیکساسیون آلدئیدی برای حفظ اولتراساختار (Sabatini, 1963) مشخص شد، و رنگ‌آمیزی استاندارد شده با فلزات سنگین مانند سیترات سرب رینولدز (Reynolds, 1963) کنتراست لازم برای تفسیر اولتراساختار سلولی را فراهم کرد و میکروسکوپ الکترونی را به یکی از پایه‌های زیست‌شناسی سلولی مدرن تبدیل کرد.

Key figures

• David Sabatini
• Edward Reynolds

Seminal works

• sabatini-1963
• reynolds-1963

Frequently asked questions

چرا میکروسکوپ الکترونی جزئیات بیشتری را نسبت به میکروسکوپ نوری تفکیک می‌کند؟

وضوح توسط طول موج تابش تصویربرداری محدود می‌شود؛ الکترون‌ها طول موج بسیار کوتاه‌تری نسبت به نور مرئی دارند، بنابراین پرتو الکترونی می‌تواند ساختارهایی را که بسیار کوچک‌تر از آن هستند که میکروسکوپ نوری بتواند ببیند، تشخیص دهد.

تفاوت بین میکروسکوپ الکترونی عبوری و روبشی چیست؟

میکروسکوپ الکترونی عبوری الکترون‌ها را از یک برش فوق‌نازک عبور می‌دهد تا ساختار داخلی را تصویربرداری کند، در حالی که میکروسکوپ الکترونی روبشی یک پرتو را روی سطح نمونه روبش می‌کند و سیگنال‌های ساطع شده را برای تصویربرداری از توپوگرافی سطح تشخیص می‌دهد.