المجهر الإلكتروني بالتبريد: تكنولوجيا مستقبلية لأبحاث السرطان

يتم تشخيص إصابة حوالي 20 مليون شخص بالسرطان كل عام، ويموت ما يقرب من 10 ملايين شخص. في حين أن البروتينات المعطوبة هي الأسباب الرئيسية للأورام الخبيثة التي تزعج التوازن الخلوي، فإن العلاقة بين التشوهات الوراثية والسرطان معروفة جيدًا في مجال أبحاث السرطان. حتى الآن، كانت الوقاية من السرطان تركز على الحد من العواقب السلبية الناجمة عن التغيرات الجينية. ومع ذلك، هناك اتجاه متزايد في الوقاية الكيماوية لتغيير البروتينات التي تشفرها هذه الجينات التالفة. على سبيل المثال، يساعد بروتين BRCA1 على إصلاح تلف الحمض النووي، والذي يلعب دورًا في قمع الورم. يعاني أفراد BRCA1 الأقل وظيفية من عدم استقرار جيني متزايد، مما يزيد من خطر الإصابة بالسرطان.

يعد تحليل الجسيمات الفردية والتصوير المقطعي بالتبريد مثالين على عائلة المجهر الإلكتروني بالتبريد (cryo-EM) من الأساليب المستخدمة لتوليد بيانات هيكلية عالية الدقة للأنظمة البيولوجية. في تقنية cryo-EM، يتم تجميد محاليل العينات بسرعة من أجل الحفاظ على البنية الطبيعية للعينات ووقف تكوين الجليد البلوري. يؤدي هذا إلى تعليق البروتينات الفردية الموجهة في زوايا عشوائية مختلفة داخل الجليد، وهو ما يتم ملاحظته في تحليل الجسيم المفرد. يتم بعد ذلك تصوير البروتينات باستخدام المجهر الإلكتروني ذي الإرسال بالتبريد (cryo-TEM)، مما يؤدي إلى إنشاء مئات من الإسقاطات ثنائية الأبعاد للعينة. ومن ثم يمكن من خلال الجمع بين هذه الإسقاطات إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد عالي الدقة للبروتين. أصبح التحليل الذري ممكنًا وأصبح متاحًا أكثر فأكثر باستخدام أجهزة كشف الإلكترون المعاصرة والأدوات التحليلية.

من خلال الجمع بين تقنية cryo-EM وإعادة البناء ثلاثي الأبعاد، تم تحقيق عدد من التطورات المهمة في البيولوجيا الهيكلية على مدار السنوات القليلة الماضية. لقد كان التقدم في الأجهزة والبرامج عاملاً رئيسياً في تطوير تقنية cryo-EM. يعد جهاز تسجيل الصور والمجهر الإلكتروني أمثلة على الأجهزة؛ تعد تقنيات إعادة البناء ثلاثية الأبعاد ومعالجة بيانات الصور أمثلة على البرنامج.

تحلل أبحاث سوق Data Bridge معدل النمو في سوق المجهر الإلكتروني بالتبريد العالمي في الفترة المتوقعة 2022-2029. يميل معدل النمو السنوي المركب المتوقع لسوق المجهر الإلكتروني بالتبريد العالمي إلى حوالي 8.67٪ في فترة التوقعات المذكورة. بلغت قيمة السوق 725.43 مليون دولار أمريكي في عام 2021، وسوف تنمو حتى 1410.82 مليون دولار أمريكي بحلول عام 2029. يتم تقسيم سوق المجهر الإلكتروني بالتبريد العالمي على أساس النوع ونوع المنتج والمكونات والتطبيق.

لمعرفة المزيد عن الدراسة، قم بزيارة: https://www.databridgemarketresearch.com/ar/reports/global-cryo-electron-microscopy-market

المفهوم باختصار

لقد أصبح استخدام المجهر الإلكتروني بالتبريد (cryo-EM) أكثر شيوعًا لفحص البنية الجزيئية لتجمعات البروتين والفيروسات والكائنات الحية. تركز هذه الصفحة على عدة جوانب من تقنية cryo-EM، بما في ذلك فوائدها وعيوبها، وتطبيقاتها، وكيفية اختلافها عن تقنيات EM، والدراسات الحديثة التي تستخدم تقنية cryo-EM. يشير المصطلح "cryo-EM" إلى نوع من التصوير الكهرومغناطيسي (EM) حيث يتم تصوير العينات الحساسة للإشعاع باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) تحت إعدادات التبريد المبردة. يُستخدم مصطلح "cryo-EM" بشكل متكرر للإشارة إلى العديد من التقنيات التجريبية، بما في ذلك التصوير المقطعي بالتبريد الإلكتروني، وتصوير البلورات الإلكترونية، والتصوير بالتبريد الإلكتروني للجسيم الواحد.

يمكن استخدام كل تقنية cryo-EM بشكل مستقل أو كجزء من الأساليب الهجينة التي تجمع بين بيانات cryo-EM مع البيانات المكملة من أساليب التحليل الطيفي البلوري والرنين المغناطيسي النووي (NMR) بالأشعة السينية. بالنسبة لتصوير العينات البيولوجية بما في ذلك البكتيريا والخلايا المجمدة وأقسام الأنسجة بأكملها، أصبحت أجهزة التصوير بالتبريد متاحة على نطاق أوسع وأسهل بكثير في التشغيل.

يستخدم الباحثون حاليًا Cryo-EM للمساعدة في عملهم على السرطان، وتطوير نظام "علم الأورام الهيكلي"، والذي يهدف إلى توظيف البيولوجيا الهيكلية لمكافحة السرطان. تستعد القدرات التحليلية لـ EM عالية الدقة للتبريد لتغيير الطريقة التي يدرس بها العلماء علم الأورام من خلال تمكين المراقبة المركزة والتحليل والعلاج في نهاية المطاف.

EM وCryo-EM

يتم استخدام التلوين والجفاف والتثبيت الكيميائي للعينات في إجراءات EM التقليدية لإنتاج الصورة. في EM، يؤدي تفاعل المادة العضوية والإلكترونات إلى إلحاق ضرر شديد بالعينات البيولوجية. في المقابل، بما أن cryo-EM لا يتطلب تقنيات تصوير إضافية، فإنه يحافظ على الحالة المائية الأصلية للعينات. يؤدي تشعيع الإلكترون إلى كسر الروابط الكيميائية للعينات، مما يؤدي إلى إنتاج الجذور الحرة التي تؤدي إلى مزيد من الضرر للعينات. تنتج جرعات الإلكترون المنخفضة صورًا مزعجة على الرغم من أنها يمكن أن تساعد في الحفاظ على العينات عن طريق تقليل الضرر الإشعاعي.

يمكن لـ Cryo-EM أن يحل هذه المشكلة بكفاءة لأنه يستخدم العينات المجمدة التي يتم الاحتفاظ بها في درجات حرارة الهيليوم السائل أو النيتروجين السائل للتصوير، مما يقلل من الآثار الضارة للإشعاع الإلكتروني على العينات. يتم تصوير العينات البيولوجية عند درجات حرارة الهيليوم السائل أو النيتروجين السائل بعد تزجيجها بسرعة في طبقة جليدية تشبه الزجاج. يتضاءل الضرر الإشعاعي كثيرًا عند درجة حرارة النيتروجين، مما يتيح استخدام جرعة إلكترون أكبر لإنتاج صور ذات نسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة. من خلال تقنية cryo-EM، من الممكن الحصول على إعادة بناء ثلاثية الأبعاد للعينات على مستوى شبه جزيئي في النيتروجين السائل والهيليوم. ولكن كيف يعمل cryo-EM؟

• تجميد- يتم تغليف الشبكة بالعينة، ثم يتم تجميدها بعد ذلك في الإيثان السائل وحفظها في النيتروجين السائل. يجب أن يتجمد بسرعة كافية لمنع أي ماء موجود من تكوين بلورات ثلجية. من المحتمل أن تسبب الشبكات الجليدية أضرارًا هيكلية للمادة، حيث تمتص شعاع الإلكترون وتحجب الصورة. يتجمد الماء كمادة صلبة غير متبلورة (الجليد الزجاجي) ولا يتبلور إذا تم تجميد العينة بسرعة كافية.

• تسجيل- واستنادًا إلى تفاعلات المادة مع شعاع الإلكترون، يتم التقاط صور للعديد من نسخ الجزيء (أو مادة أخرى، مثل الفيروسات) المعلقة في اتجاهات عشوائية في الجليد المزجج. تتميز الصور التي تحتوي على "كاشفات الإلكترون المباشر" الأحدث بجودة أعلى من تلك الملتقطة بالكاميرات الرقمية السابقة.

• معالجة البيانات- يتم التأكد من بنية العينة من خلال دمج العديد من وجهات النظر الجزيئية في نموذج ثلاثي الأبعاد. في بعض الأحيان يشكل متوسط ​​عشرات الآلاف أو حتى مئات الآلاف من صور الجسيمات الصورة النهائية، أو خريطة الكثافة. يتم التقاط مئات الآلاف من الإطارات في الثانية لتتبع حركة الجزيئات ومنع فقدان الدقة.

كانت تطبيقات cryo-EM المبكرة مقيدة بالحاجة إلى استخدام حزم إلكترونية منخفضة الطاقة للحفاظ على العينة، مما أدى إلى الحصول على صور منخفضة الدقة. يمكن الآن إنشاء صور عالية الدقة باستخدام عدد أقل من الإلكترونات بفضل التقدم المحرز في تكنولوجيا الكشف المباشر عن الإلكترونات. كاشف الإلكترون المباشر عبارة عن كاميرا يمكنها التقاط صور لجزيء واحد بسرعة بعشرات الإطارات في الثانية من خلال تحسين القدرة على اكتشاف الإلكترونات. كما أدى إنشاء تقنيات أفضل لمعالجة الصور إلى تسهيل الثورة في تقنية cryo-EM. هناك حاجة إلى مثل هذه الخوارزميات لتحديد اتجاه الصورة ومحاذاة الصور من أجل إيجاد طرق لإعادة بناء صورة ثلاثية الأبعاد من صور ثنائية الأبعاد. وقد أدى التحسن التكنولوجي إلى خفض الحد الأقصى لحجم العينات التي يمكن تجميدها، مما يسمح بتحليل البروتينات الفردية بعد التصوير.

مزايا تقنية Cryo-EM

كان التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي وعلم البلورات بالأشعة السينية من طرق البيولوجيا الهيكلية السابقة. ونظرًا للحاجة إلى أحجام عينات كبيرة، فإن إمكانية تطبيق هذه الأساليب محدودة فقط. من أجل إجراء تصوير البلورات بالأشعة السينية، يجب بلورة العينات، وهو إجراء صعب يغير البيئة إلى بيئة غير فسيولوجية.

يعد Cryo-EM مناسبًا تمامًا لهياكل التصوير بدقة ذرية تقريبًا لأنه لا يتطلب كميات كبيرة من العينات أو التبلور. يسمح هذا النهج أيضًا بتحليل العينة في بيئتها الفسيولوجية الطبيعية لأنها لا تثبتها أو تصبغها كيميائيًا. علاوة على ذلك، يمكن تجميد الهياكل بسرعة في مجموعة متنوعة من المطابقات لتمكين استنتاج النظم البيولوجية دون تقييد البلورات التي تجمد العينة في وضع ثابت.

إن حقيقة أن الجزيء محل الاهتمام ليس من الضروري أن يتبلور هو ميزة كبيرة لـ cryo-EM على علم البلورات بالأشعة السينية. بعض البروتينات أو الجزيئات الكبيرة المهمة لا يمكن تبلورها ببساطة؛ البعض الآخر قد تغيرت هياكلها بشكل لا رجعة فيه نتيجة للتبلور. على عكس علم البلورات بالأشعة السينية، والذي يمكنه فقط تحديد بنية واحدة، يمكن رؤية البروتينات في جميع أشكالها.

عينات Cryo-EM، على عكس المجهر الإلكتروني التقليدي، لا تتعرض للجفاف أو التلطيخ، لذلك يظل هيكلها قريبًا من الشكل الحقيقي للهيكل المائي في بيئتها الأصلية، مع عدم وجود أشكال زائفة ناتجة عن الصبغة. يؤدي تجميد العينات إلى تقليل كمية الضرر الإشعاعي الذي يمكن أن يحدث نتيجة للإشعاع الإلكتروني. كما أن العينات المجمدة أقل عرضة للتلف بسبب ظروف الضغط المنخفض/الفراغ بالمجهر الإلكتروني.

عيوب تقنية Cryo-EM

غالبًا ما تحتوي الصور على نسبة إشارة إلى ضوضاء منخفضة جدًا بسبب نقص الصبغة، وبالتالي نقص التباين، مما يستلزم أجهزة كشف ومعالجة صور متقدمة للغاية.

يمكن أن يكون إعداد العينة صعبا، لأنه من الضروري تحسين سماكة الجليد وتوزيع الجسيمات. يمكن للبروتينات في بعض الأحيان أن تتبنى توجهات مفضلة، مما يجعل إعادة البناء ثلاثي الأبعاد مستحيلاً.

لا تزال معدات cryo-EM الأكثر تقدمًا باهظة الثمن. قد يساعد إنشاء مرافق مركزية في زيادة الوصول إلى معدات cryo-EM. من ناحية أخرى، فإن Cryo-EM غير فعال لتصوير البروتينات الصغيرة جدًا ويستغرق وقتًا طويلاً لإنشاء صور عينة. وعلاوة على ذلك، تتطلب هذه التقنية تجانس عينة عالية جداً، مما يعقد الحصول على صور عالية الدقة للبروتينات المرنة. علاوة على ذلك، فإن الدقة الحالية لـ cryo-EM غير كافية للبحث والتطوير الصيدلاني لأن الصور التي تم الحصول عليها بواسطة هذه التقنية لها نسبة إشارة إلى ضوضاء منخفضة في بعض الحالات.

التطبيقات الحديثة لتقنية Cryo-EM

يدرس المجهر الإلكتروني بالتبريد، أو cryo-EM، العينات المجمدة في درجات الحرارة المبردة باستخدام الإلكترونات. لقد أصبحت التقنية المستخدمة لدراسة الترتيب الهيكلي للعينات البيولوجية في السنوات الخمس الماضية، وحققت في بعض الأحيان دقة شبه ذرية.

وفقا لمقال في مجلة Nature العام الماضي، فإن المجاهر الإلكترونية المبردة "أرسلت هزات عبر مجال البيولوجيا الهيكلية في السنوات الثلاث الماضية، فقد كشفت عن تفاصيل رائعة عن الريبوسومات التي تصنع البروتين، وبروتينات الغشاء المرتعشة وجزيئات الخلية الرئيسية الأخرى، والاكتشافات التي تنشرها المجلات الرائدة بسرعة".

لقد زادت شعبية Cryo-EM إلى درجة أنه يتم أحيانًا تصوير عينات محددة فقط، مثل الفيروسات والريبوسومات، باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية. يوفر التصوير Cryo-EM الآن تصويرًا ذريًا للتغيرات الهيكلية في البروتين p97. نظرًا لأن بنية هذا البروتين وتفاعلاته ضرورية لنشاط الخلايا السرطانية، فهو هدف مهم لتطوير أدوية السرطان.

تمت ملاحظة نوع مواقع الربط والاتصال بمثبط p97 باستخدام إمكانات التصوير الخاصة بـ Cryo-advanced EM. تم تحقيق دقة قدرها 2.3 نغستروم في هذه الدراسة، حيث تساوي وحدة نغستروم 0.1 نانومتر. ومع التقدم الحالي في تكنولوجيا الكاشف وإعداد العينات، يمكن لـ cryo-EM تحسين الدقة بشكل أكبر.

تحلل أبحاث سوق Data Bridge أنه من المتوقع أن يصل سوق تشخيص السرطان إلى قيمة 28.21 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2029، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 7.29٪ خلال الفترة المتوقعة. يوفر الارتفاع في حالات السرطان فرصًا للنمو في السوق. يعد التقدم التكنولوجي المتزايد عاملاً حيويًا في تصعيد نمو السوق، وكذلك زيادة المبادرات التي تتخذها الحكومات ومنظمات الصحة العالمية لنشر الوعي حول السرطان، وزيادة النمو في عدد مراكز التشخيص الخاصة، وزيادة الشراكات بين القطاعين العام والخاص لتعزيز البنية التحتية للتصوير التشخيصي. تعد المراكز والدعم المتزايد من إدارة الغذاء والدواء لتطوير العلامات الحيوية والإطلاق المتزايد لكواشف قياس التدفق الخلوي الجديدة للتشخيص واكتشاف الأدوية من العوامل الرئيسية من بين عوامل أخرى تدفع سوق تشخيص السرطان.

لمعرفة المزيد عن الدراسة، قم بزيارة: https://www.databridgemarketresearch.com/ar/reports/global-cancer-diagnostics-market