Lasers in atomic and molecular diagnostics 

  b-biotech-blog

1. مقدمة :

تعرفنا في  مقالات  سابقة على  تعاريف البيو تكنولوجيا الرسمية والدولية وكذا تاريخها ومستقبلها     . كما تعرفنا على علم  ليزر البيوضوئيات و تاريخ الليزر  وخصائصه  وعلى مبادئى عمله و أسس تصنيفه  وخطورته  وعلى أنظمة استلامه وتوصيله وتطبيقاته الطبية  واستخداماته في التصوير والتشخيص الطبي و العياني  وفي الجراحة وفي  التحفيزه الحيوي وعلى إستخداماته  في الجراحة المجهرية  والطباعة الحيوية وفي طب الكسور والمفاصل و طب العيون  و النساء والجلد والاسنان وعلى تأثيره الحراري الضوئي والميكانيكي  والكيميائي الضوئي.  وفي هذه المقالة سنتعرف  على   الليزر في التشخيص الذري والجزيئي.

2 -  الليزر في التشخيص الذري والجزيئي

            أتسع استخدام الليزر في الطب وعلوم الحياة الى ان شمل فروعاً عديدة منها الجراحة والجراحة المجهرية، علم الخلية والوراثة الخلوية علم النبات والحشرات، الاحياء المجهرية بفروعها المختلفة، علم المناعة، علم الأدوية والسموم، علم الاحياء الجزيئي والهندسة الوراثية. ويستخدم الليزر في هذه المجالات كأداة تشخيص وهذا هو الغالب في علوم الحياة كذلك يُستخدم كوسيلة لاحداث تغير ثابت لجزيئة او خلية او نسيج حي وتصبّ كافة هذه التطبيقات في حقلي علم الاحياء الضوئي والجراحة الليزرية (قندلا، 1992).

الليزر كأداة تشخيص Laser diagnosis

 يحظى التشخيص بالليزر بأهمية بالغة في علم الاحياء والطب ويتم عادة بمستويين: تشخيص على المستوى الذري والجزيئي ويدعى التشخيص الدقيق (Microdiagnosis) وتشخيص على مستوى الخلايا والاعضاء ويدعى التشخيص العياني (Microdiagnosis). وتتأتى الفائدة التشــخيصية لليــزر من تحليل الخصائص الطيفية للضوء المتشتت او المنبعـــث عقب استطارة او انعكاس او حتــى تفلــور ضوء الليـــزر الساقط. (Chopra and Chawla,1992)

التشخيص الذري والجزيئي (Microdiagnosis):

        ·       اثبتت تقنيات المطيافية الليزرية كفاءتها وحساسيتها العالية في التحري واقتفاء آثار العناصر الناذرة في دراسات الأيض وعلم السموم، إذ اصبح من الممكن الكشف عن ديفان الـaflatoxin حتى ولو وجد بكمية ^10-10غرام (^12-10 مول)، وكذلــك عن التربتوفان في الماء ولو كان بمقدار ^14-10غرام وعن باقي العناصر المعدنيــة الناذرة في مختلــف الانســجة ولو بلغت نسبتها (1-3ppm) جزء بالمليون وذلك باســتخدام تقنية تحليل الكتلـة بالمجس الليــزري الدقيق( LAMMA)  (Laser Micro Probe Mass Analysis) (Lancu et al., 1996).

        ·      كما تم تقدير كمية فيتامين النياسين لحد 100 بيكوغرام/ مل باعتماد النمو المايكروبي لبكتريا Lactobacillus plantarium كمؤشر لنسبة الفيتامين، ولعب الليزر دوره في هذه التقنية من خلال قياس النمو المايكروبي عن طريق الضوء الليزري المتشتت بوساطة خلايا البكتريا والمتناسب مع كمية الفيتامين المراد تقديرها (Anderson et al., 1993).

        ·وباســـتخدام مطيافيــة الاستطارة لرامان تم دراســـة تفاعل معقدات دنا –معدن (DNA- metal) والتأثيــرات البنيويـــة التي تلحقهــا الأيونات الثنائيـــة التكافؤ (Ca²⁺, Mg²⁺, Cu²⁺...) بالدنا (Duguid et al., 1993)، كما درس بالمطيافية نفسها تفاعل الدنا مع الأدوية، كتأثير الفيتامين ج (C) وآلية ارتباطه بالدنا ونوع الرابطة والتتابع النوعي لارتباطه (Neault et al., 1995).

شكل 1: رسم توضيحي لمطيافية رامان المستخدمة في الدراسات الدوائية وعلم السموم

        ·كما استخدمت تقنية التطاير المتعدد الزوايا لضوء الليزر (MALLS) في تحديد الوزن الجزيئي وحجم السكاكير المعقدة.

        ·كماتم الكشف عن غاز أوكسيد النيتريك في هواء شهيق الإنسان باستعمال الرنين النووي الليزري (LMR)Laser Magnetic Resonance  مقرونا بليزر أول أوكسيد الكربون

        ·وخاصية النبضات الشديدة القصر التي يمتلكها ضوء الليزر بحدود قد تتعدى البيكوثانية الى الفيمتو ثانية والتي فتحت آفاقاً تطبيقية واسعة في الكيمياء والكيمياء الحياتية الضوئية وساعدت على تتبع وفهم كثير من التفاعلات الأولية لعمليتي التمثيل الضوئي والابصار وكذا التفاعلات التي يتوسطها الهيموكلوبين والدنا وباقي الجزيئات الحياتية المهمة (Alfano,1982) وتتـــم هــذه التحريـــات الدقيقــة بواســطة المطيافيـــة الليزريـــة فائقة السرعة (UFLS) (Ultra Fast Laser Spectroscopy).

شكل2: جهاز المسح الكيماوي الليزري الآلي ( ChemScan)يستخدم للكشف  عن البكتيريا الملوثة لمياه  الشرب باستعمال صبغات متفلورة وفعالية إنزيم الإستراز لصبغ البكتيريا المحتجزة في المرشحات

        ·كذلك أثبتت مطيافية التفلور حساسية وســرعة عاليتين في دراســـة وتحديد التتابع النكليوتيدي للدنا والتحري عن الطفـــرات الوراثيـــة وذلك باســتخدام تقنيــة الترحيل الكهربائــي الشعري المصحوب بالتفلــور او التألّـق المحتـث ليزرياً (Capillary Electrophoresis with Laser- Induced Fluorescence) (CE-LIF)

 (Carson et al.,1993)

        ·أما تقنية (MALDI- MS) المطوّرة من قبل الباحثين Karas و Hillenkamp سنة 1988 فقد أحدثت ثورة وقفزة نوعية في علم الاحياء الجزيئي، إذ اصبحت الوسيلة المعتمدة في تحاليل الدنا لحساسيتها العالية ودقتها المتناهية ومداها الكتلي الواسع وسرعتها وقدرتها على توصيف مزيج كبير من قطع دنا متفاوتة الاحجام طبيعية كانت او تخليقية وبهذا تتجه للتفوق على طريقة الترحيل الكهربائي التقليدية، ونظراً لما تميزت به تقنية (MALDI- MS) من تحليل مباشر للدنا وكفاءة في تحديد تتابع الدنا في تفاعلات الهضم الانزيمي له وتوصيف نواتج سلسلة تفاعل البوليميراز (PCR Product) .

كما استغلت في دراسة مجين الانسان ونسقه الوراثي والتباينات الوراثية للدنا ذات الفائدة في الحقل العدلي والجنائي، وفي دراسة وتحديد الجينات  المرضية ورسم خرائطها (gene mapping) ومحاولة ايجاد وفهم الأسس الوراثية للامـراض كالــداء السكري (Pennisi at al., 1994) والسرطان (Braun et al., 1997) وتحديد الطفرات النقطية وعيــوب الجينـــات لاغراض التشخيص وتطوير الادوية. كما اســـتخدمت تقنية (MALDI- TOF- MS) للكشف السريع عن عامل الجنس البكتيري لاكثر من 20 سلالة E. coli مختلفـــة نظراً لكونه ميزة هامة في النقـــل الوراثي للمعلومات بواســـطة الاقتران (Karty et al., 1998). 

شكل 3:تقنية مطيافية التكسير المحتث ليزريا (LIBS)واستخداماتها في تحليل الأغذية كالكشف عن الفيتامينات والمعادن الثقيلة والسموم والملوثات

شكل 4 : مخطط وصورة جهاز مطيافية الكتلة المعتمدة على تقنية النزع والتأيين الليزري (MALDI- MS) واستخداماتها في تحاليل الدنا والجينوم والدراسات الجينية  وفي تعريف البكتيريا والفطريات

 لقد أحدث الليزر ثورة في العديد من مجالات العلوم، بما في ذلك التشخيص الذري والجزيئي. ويستخدم الليزر في هذا المجال بعدة طرق:

1. **التحليل الطيفي بالليزر**: 

يمكن أن يولد الليزر أشعة ضوئية متماسكة للغاية ومحددة الطول الموجي، مما يجعلها مثالية للتحليل الطيفي. يتم استخدامها لإثارة الذرات والجزيئات إلى حالات طاقة محددة، مما يسمح بدراسة مفصلة لخصائصها الطيفية. وهذا أمر ضروري في تشخيص المركبات الكيميائية وتحديد الأنواع الذرية والجزيئية في العينات.

2. **التصوير بالليزر**: 

تُستخدم قدرة الليزر على توفير أشعة ضوئية مكثفة ومركزة في تقنيات التصوير. على سبيل المثال، يتيح الفحص المجهري بالليزر متحد البؤر مراقبة العينات البيولوجية على المستوى الخلوي بدقة غير مسبوقة.

3. **قياس الطيف الكتلي بالليزر**:

 في قياس الطيف الكتلي، يُستخدم الليزر لتأين الجزيئات في الطور الغازي، مما يسهل تحليلها. وهذا مفيد بشكل خاص في تحديد المركبات العضوية في العينات المعقدة، مثل تلك المستخدمة في أبحاث الطب الحيوي وكيمياء الطب الشرعي.

4. **التحليل الطيفي لانبعاث الليزر**: 

يستخدم لدراسة التحولات الإلكترونية للذرات والجزيئات. وهذا النهج مفيد بشكل خاص لدراسة البنية الإلكترونية للعناصر والمركبات، والتي يمكن أن توفر معلومات قيمة حول سلوكها الكيميائي والفيزيائي.

شكل 5: مخطط وصورة توضيحيين لمراحل الكشف عن طفيلي الملاريا في الدم  بجهاز مطيافية الكتلة المعتمدة على النزع والتأيين الليزري تقنية (MALDI- MS) 

شكل 6: مطيافية الكتلة للخلايا الكاملة (WC-MS)  واستخداماتها في الدراسات الطفيلية كتشخيص الملاريا والدراسات المناعية كدراسة سلوك الخلايا البالعة  إزاء السيتوكينات  والبكتريا المختلفة وكذا تحديد المؤشرات الحيوية الخلوية

الخلاصة

باختصار، يلعب الليزر دورًا حاسمًا في التشخيص الذري والجزيئي من خلال توفير أدوات قوية للتوصيف الدقيق وتصور الذرات والجزيئات في مجموعة واسعة من العينات والبيئات.

 للمزيد من المعلومات الإطلاع على كتاب 

Laser Biophotonics: Principles and Applications in Medicine and

Life Sciences

للمؤلف د. بن عمر شبة