สัณฐานวิทยาของไวรัสและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

อนุภาคไวรัสส่วนใหญ่มีขนาดเล็กเกินกว่าที่จะมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ดังนั้นการอธิบายสัณฐานวิทยาของไวรัส ซึ่งได้แก่ ขนาด รูปร่าง และลักษณะพื้นผิวของอนุภาคไวรัส จึงต้องอาศัยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ด้วยการถ่ายภาพอนุภาคที่ย้อมสีเชิงลบหรืออนุภาคที่แช่แข็งในน้ำแข็ง กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจะเผยให้เห็นแท่งเกลียว เปลือกทรงยี่สิบหน้า ทรงกลมมีเปลือกหุ้ม และรูปแบบที่ซับซ้อน ซึ่งเป็นทั้งคำศัพท์เชิงพรรณนาสำหรับไวรัสและพื้นฐานในการจำแนกไวรัส

Definition

สัณฐานวิทยาของไวรัสคือ ขนาด รูปร่าง สมมาตร และโครงสร้างพื้นผิวของอนุภาคไวรัส ซึ่งมีลักษณะเฉพาะส่วนใหญ่โดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ซึ่งเป็นเทคนิคการถ่ายภาพที่สามารถแยกแยะขนาดของอนุภาคไวรัสที่เล็กกว่าที่กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงจะมองเห็นได้

Scope

บทความนี้ครอบคลุมสัณฐานวิทยาหลักของไวรัสและวิธีการทางกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ใช้ในการมองเห็นไวรัสเหล่านั้น รวมถึงกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบย้อมสีเชิงลบและแบบไครโออิเล็กตรอน บทบาทของสัณฐานวิทยาในการอธิบายและจำแนกไวรัส ตลอดจนจุดแข็งและข้อจำกัดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในฐานะเครื่องมือเชิงพรรณนาและวินิจฉัย บทความนี้เป็นข้อมูลอ้างอิงเชิงระเบียบวิธีและโครงสร้าง ไม่ใช่แนวทางทางคลินิก

Core questions

• เหตุใดจึงต้องใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเพื่อมองเห็นไวรัสส่วนใหญ่?
• ไวรัสมีรูปแบบสัณฐานวิทยาหลักอะไรบ้าง?
• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบย้อมสีเชิงลบและแบบไครโออิเล็กตรอนแตกต่างกันอย่างไร?
• สัณฐานวิทยาสามารถมีส่วนช่วยในการจำแนกหรืออธิบายไวรัสได้อย่างไร?
• ข้อจำกัดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในฐานะวิธีการเชิงพรรณนาคืออะไร?

Key concepts

• มาตราส่วนขนาดของอนุภาคไวรัส (นาโนเมตร)
• สัณฐานวิทยาแบบเกลียว
• สัณฐานวิทยาแบบทรงยี่สิบหน้า
• อนุภาคมีเปลือกหุ้มและมีรูปร่างหลากหลาย
• สัณฐานวิทยาแบบซับซ้อน
• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบย้อมสีเชิงลบ
• กล้องจุลทรรศน์ไครโออิเล็กตรอน
• การตรวจจับแบบครอบคลุม (เปิดกว้าง)

Mechanisms

เนื่องจากอนุภาคไวรัสโดยทั่วไปมีขนาดตั้งแต่สิบถึงสองสามร้อยนาโนเมตร จึงมีขนาดต่ำกว่าขีดจำกัดความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง และต้องใช้ลำแสงอิเล็กตรอนที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่ามากในการถ่ายภาพ ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบย้อมสีเชิงลบ อนุภาคจะถูกล้อมรอบด้วยสีย้อมที่หนาแน่นด้วยอิเล็กตรอนซึ่งจะกำหนดรูปร่างของอนุภาค ทำให้เผยให้เห็นสัณฐานวิทยาแบบเกลียว แบบทรงยี่สิบหน้า แบบมีเปลือกหุ้ม หรือแบบซับซ้อนได้อย่างรวดเร็ว ในทางกลับกัน กล้องจุลทรรศน์ไครโออิเล็กตรอนจะถ่ายภาพอนุภาคที่แช่แข็งในน้ำแข็งอสัณฐาน ซึ่งช่วยรักษาสภาพโครงสร้างดั้งเดิม และเมื่อรวมกับการเฉลี่ยภาพ จะสามารถแยกแยะโครงสร้างแคปซิดได้อย่างละเอียด สัณฐานวิทยาเป็นวิธีที่รวดเร็วและเปิดกว้างในการจำแนกประเภทของไวรัสที่มีอยู่โดยไม่ต้องมีความรู้ล่วงหน้าเกี่ยวกับตัวตนของไวรัส ซึ่งช่วยเสริมวิธีการทางโมเลกุล

Clinical relevance

ในอดีต กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนช่วยให้สามารถค้นพบและอธิบายไวรัสจำนวนมากได้ และยังคงเป็นวิธีการที่ครอบคลุมซึ่งสามารถเผยให้เห็นเชื้อโรคที่ไม่คาดคิดได้จากรูปร่างของมัน โดยใช้ในการตั้งค่าการอ้างอิงและการวิจัยควบคู่ไปกับการวินิจฉัยทางโมเลกุล บทความนี้อธิบายสัณฐานวิทยาและวิธีการถ่ายภาพเพื่อการอ้างอิง และไม่ได้ให้โปรโตคอลการวินิจฉัยหรือคำแนะนำในการรักษา

History

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนทำให้ไวรัสสามารถมองเห็นได้โดยตรงเป็นครั้งแรกในช่วงปลายทศวรรษ 1930 และ 1940 และการย้อมสีเชิงลบตั้งแต่ทศวรรษ 1950 เป็นต้นมา ทำให้สามารถสำรวจสัณฐานวิทยาของอนุภาคไวรัสได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งมีส่วนช่วยในการค้นพบและการจัดกลุ่มไวรัสจำนวนมาก วิธีการสร้างภาพใหม่ที่บุกเบิกโดย Klug และเพื่อนร่วมงาน และต่อมาคือกล้องจุลทรรศน์ไครโออิเล็กตรอน ได้เพิ่มความละเอียดที่สามารถตรวจสอบโครงสร้างของไวรัสได้อย่างต่อเนื่อง

Key figures

• Aaron Klug
• Donald Caspar
• Stephen Harrison
• Cynthia Goldsmith
• Sara Miller

Seminal works

• goldsmith-2009
• harrison-1983
• caspar-klug-1962

Frequently asked questions

เหตุใดไวรัสส่วนใหญ่จึงไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงทั่วไป?

อนุภาคไวรัสส่วนใหญ่มีขนาดเพียงสิบถึงสองสามร้อยนาโนเมตร ซึ่งต่ำกว่าขีดจำกัดความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงที่มองเห็นได้มาก กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนใช้ลำแสงอิเล็กตรอนที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่ามากเพื่อแยกแยะอนุภาคขนาดเล็กดังกล่าว

ข้อดีของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในการตรวจจับไวรัสคืออะไร?

เป็นวิธีการที่เปิดกว้างและครอบคลุม: เนื่องจากมันเผยให้เห็นอนุภาคจากรูปร่างของมันโดยไม่จำเป็นต้องใช้สารรีเอเจนต์เฉพาะสำหรับไวรัส จึงสามารถระบุประเภทกว้างๆ ของไวรัสที่ไม่คาดคิดหรือไม่ทราบได้ ซึ่งช่วยเสริมการทดสอบทางโมเลกุลแบบเฉพาะเจาะจง