โครงสร้างละเอียดและการสร้างภาพ
โครงสร้างละเอียดและการสร้างภาพเป็นสาขาหนึ่งของชีววิทยาของเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับการทำให้เซลล์และโครงสร้างภายในของเซลล์สามารถมองเห็นได้ ตั้งแต่โครงร่างหยาบที่สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ไปจนถึงสถาปัตยกรรมระดับโมเลกุลที่เปิดเผยโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน โดยเป็นการรวมเทคนิคทางแสงและอิเล็กตรอน-แสงที่เปลี่ยนเซลล์ ออร์แกเนลล์ และโมเลกุลที่มีการติดฉลากให้เป็นภาพที่ตีความได้ และเป็นพื้นฐานของความรู้ส่วนใหญ่เกี่ยวกับโครงสร้างของเซลล์
Definition
โครงสร้างละเอียด (Ultrastructure) หมายถึงโครงสร้างภายในที่ละเอียดของเซลล์ที่สามารถมองเห็นได้ต่ำกว่าขีดจำกัดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงทั่วไป และการสร้างภาพ (imaging) หมายถึงกลุ่มของเทคนิคกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้ในการมองเห็นเซลล์และส่วนประกอบของเซลล์ในระดับตั้งแต่เซลล์ทั้งหมดไปจนถึงการรวมตัวของโมเลกุลขนาดใหญ่
Scope
สาขานี้จะนำผู้อ่านไปทำความเข้าใจเกี่ยวกับวิธีการสร้างภาพหลักที่ใช้ในการศึกษาเซลล์ ได้แก่ กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและฟิสิกส์ของการขยายและกำลังแยก กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและโครงสร้างละเอียดของเซลล์ที่เปิดเผย กล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอลและฟลูออเรสเซนต์สำหรับการตัดภาพด้วยแสงและความเปรียบต่างระดับโมเลกุล และอิมมูโนฟลูออเรสเซนต์สำหรับการระบุตำแหน่งของโปรตีนจำเพาะ นี่คือการจัดกลุ่มตามระเบียบวิธีและข้อมูลอ้างอิง ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก
Sub-topics
Core questions
- แต่ละวิธีการสร้างภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์สามารถแยกแยะรายละเอียดของเซลล์ได้ในระดับใด?
- ความเปรียบต่างเกิดขึ้นได้อย่างไร — ผ่านการย้อมสี ความหนาแน่นของอิเล็กตรอน หรือการติดฉลากด้วยฟลูออเรสเซนต์?
- โมเลกุลจำเพาะถูกระบุตำแหน่งภายในเซลล์ที่สร้างภาพได้อย่างไร?
- การเตรียมตัวอย่างทำให้เกิดสิ่งแปลกปลอม (artefacts) อะไรบ้าง และจะควบคุมสิ่งเหล่านั้นได้อย่างไร?
Key concepts
- กำลังแยกและขีดจำกัดการเลี้ยวเบน
- กำลังขยาย
- การสร้างความเปรียบต่าง
- การตัดภาพด้วยแสง
- การติดฉลากด้วยฟลูออเรสเซนต์
- ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนและการย้อมด้วยโลหะหนัก
- การตรึงตัวอย่างและสิ่งแปลกปลอมจากการเตรียมตัวอย่าง
Mechanisms
วิธีการสร้างภาพมีความแตกต่างกันหลักๆ ในรังสีที่ใช้ และดังนั้นจึงมีความละเอียดที่สามารถแยกแยะได้ กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงใช้แสงที่มองเห็นได้และถูกจำกัดด้วยการเลี้ยวเบนให้อยู่ในระดับความยาวคลื่นโดยประมาณ ในขณะที่กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนใช้อิเล็กตรอนที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่ามากเพื่อแยกแยะโครงสร้างละเอียดภายในเซลล์ ดังเช่นในการศึกษาโครงสร้างละเอียดของไมโทคอนเดรียในยุคแรกของ Palade ความเปรียบต่างถูกสร้างขึ้น: การย้อมด้วยโลหะหนักสร้างความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ในขณะที่สีย้อมและโปรตีนเรืองแสงจะปล่อยแสงภายใต้การกระตุ้นเพื่อให้เกิดความเปรียบต่างระดับโมเลกุลในการสร้างภาพด้วยฟลูออเรสเซนต์และคอนโฟคอล ชุดเครื่องมือฟลูออเรสเซนต์ที่ Giepmans และคณะได้จัดทำขึ้นเชื่อมโยงฉลากเหล่านี้กับโมเลกุลจำเพาะ เพื่อให้สามารถอ่านตำแหน่งและหน้าที่ได้จากภาพ
Clinical relevance
การสร้างภาพของเซลล์เป็นพื้นฐานของพยาธิวิทยาเนื้อเยื่อวินิจฉัย เซลล์วิทยา และการวิจัยกลไกของโรค และการทำความเข้าใจวิธีการสร้างภาพช่วยในการประเมินหลักฐานเชิงโครงสร้าง สาขานี้อธิบายวิธีการสร้างและตีความภาพเซลล์ เป็นข้อมูลอ้างอิงเพื่อการศึกษาและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล
History
การสร้างภาพเซลล์มีความก้าวหน้าไปสองขั้นตอนใหญ่: กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ซึ่งตั้งแต่ศตวรรษที่สิบเจ็ดได้เปิดเผยเซลล์แต่ถูกจำกัดด้วยขีดจำกัดการเลี้ยวเบน และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ซึ่งตั้งแต่กลางศตวรรษที่ยี่สิบได้เปิดโลกของโครงสร้างละเอียด การศึกษาไมโทคอนเดรียด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของ Palade ในปี 1953 เป็นตัวอย่างว่าเครื่องมือใหม่นี้สามารถแยกแยะสถาปัตยกรรมของออร์แกเนลล์ได้อย่างไร และการพัฒนาโพรบเรืองแสงและเลนส์คอนโฟคอลในภายหลังได้เพิ่มความจำเพาะระดับโมเลกุลและการตัดภาพด้วยแสงให้กับชุดเครื่องมือ
Key figures
- George Palade
- Jeff Lichtman
- Roger Tsien
Related topics
Seminal works
- palade-1953
- lichtman-2005
- giepmans-2006
Frequently asked questions
- ทำไมจึงใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแทนกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง?
- อิเล็กตรอนมีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงที่มองเห็นได้มาก ดังนั้นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจึงสามารถแยกแยะโครงสร้างละเอียดภายในเซลล์ที่อยู่ต่ำกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงได้
- อะไรคือสิ่งที่ทำให้วิธีการสร้างภาพในสาขานี้แตกต่างกัน?
- วิธีการเหล่านี้แตกต่างกันในรังสีที่ใช้และกลไกความเปรียบต่าง: แสงเทียบกับอิเล็กตรอน และสีย้อมเทียบกับความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเทียบกับฉลากเรืองแสง ซึ่งทั้งหมดนี้รวมกันกำหนดว่าแต่ละวิธีสามารถแยกแยะอะไรได้บ้างและสามารถทำให้มองเห็นอะไรได้บ้าง