مقصات وملاقط ليزرية

يستخدم الباحثون الليزرات للإمساك بخلايا مفردة وبمكوِّنات أصغر حجما منها

بوساطة كلابات ضوئية، بينما يقومون بتغيير التراكيب المُمْسَك بها بدقة متناهية. وتهيئ

هذه الليزرات سُبُلا جديدة لاستقصاء الخلايا ومعالجتها.

<W .M. بيرنز>



إن الحزم الضوئية المركزة والنقية والمعروفة بالليزرات، صارت مكوِّنات نموذجية في أجهزة شائعة مثل آلات تشغيل الأقراص المدمجة والطابعات. بيد أن شيوع هذه الليزرات في حياتنا اليومية لا يعني أن أداءها قد اقتصر على الأعمال المألوفة، إذ يمكننا تصور تركيز حزمة بشكل محدد على عُضَيَّة organelle خلوية أو على تركيب معين داخل خلية حية، وأن الحزمة تستطيع حقا الإمساك بذلك الكيان المتناهي في الصغر وتثبيته من دون حراك، وأنه بينما تعمل هذه الحزمة الميكروية (المجهرية) كملقط فإن بوسع حزمة ثانية العمل كمبضع أو كمقص لإجراء جراحة دقيقة على تلك العضية.



حتى في عالمٍ ألِفَ وجود الليزرات فإن لمثل هذه التأملات صدى كتابات الخيال العلمي، بيد أنه مثلما يقوم أطباء الجراحة بتوجيه ملاقط ومقصات آلية ميكروية (مجهرية) من خلال مناظير باطنية endoscopes لإجراء جراحات ذات حد أدنى من الإضرار بالأعضاء، فإن بيولوجيي الخلية يستطيعون اليوم استخدام ملاقط الليزر ومقصاته لإجراء منابلات manipulations ذات حد أدنى من الإضرار بالخلايا الحية وعُضياتها.



ظهرت مقصات الليزر أولا، فقبل نحو ثلاث حقب زمنية اقترحتُ مع <E .D. راوندز>، أثناء عملنا في مؤسسة پاسادينا للبحوث الطبية، إمكان استخدام الليزرات في سبر بنيان الخلايا والعضيات واستقصاء وظائفها [انظر: "Cell Surgery by Laser,"M. W. Berns - D. E. Rounds; Scientific American, February 1970].



وقد ركزتْ بحوثنا حينذاك على تحديد معالم الليزرات التي نستخدمها (كالأطوال الموجية للضوء المصدر ومدة تعرض الخلية له) وتحديد العضيات التي يمكن معالجتها بنجاح بوساطة حزم ضوئية قادرة على إحداث تغييرات في مناطق موجودة ضمن الخلية يقل قدّها عن 0.25 ميكرون (يبلغ معدل قطر الشعرة البشرية نحو 100 ميكرون).



وفي السنوات التي أعقبت بدء الدراسة وجدتُ مع زملائي أنه بالإمكان استخدام مقصات الليزر في دراسة عضيات نووية كالصبغيات chromosomes ومغزل الانقسام الذي يعزل الصبغيات أثناء الانقسام الخلوي. وقد يسّرتْ الليزرات أيضا دراسة مكونات مثل الميتوكوندريات (الحبيبات الخيطية) mitochondria (وهي محطات الطاقة في الخلية) وتراكيب مثل الخيوط الميكروية (المجهرية) microfilaments والأُنَيْبِيْبَات الميكروية microtubules والأجسام المركزية centrosomes التي تؤدي دورا مهما في الحفاظ على البنية الخلوية وفي نقل الجزيئات بين الخلايا.



استخدام الليزرات

وعلى الرغم من عدم معرفتنا الدقيقة بكيفية إحداث الليزرات للتغييرات المحددة في مكونات الخلية، فإن بوسعنا إحداث تغييرات معينة مرارا وتكرارا من دون تعريض بنيان التركيب المستهدف أو بيئته للخطر. فعلى سبيل المثال، تُظهر لنا الأدوات البيولوجية التقليدية كالمجهر الضوئي والمجهر الإلكتروني أن بوسع مقصات الليزر إحداث تغيير معين في صبغي ما موجود في أعماق الخلية. وقد بيَّنت الأبحاث المبكرة لمجموعتنا أن بوسع المقصات إيقاف نشاط جزء مختار من صبغي ما في الخلايا المنقسمة، وهو على وجه التحديد منطقة تحتوي على جينات (مورِّثات) تتحكم في بناء عُضية نووية تعرف باسم النوية necleolus. علاوة على ذلك يستمر التغيير الحاصل في سلالات الخلايا التي نتجت بوساطة استنساخ (استنسال) cloning تلك الخلايا، فقد امتلكت جميعها نسخة خاملة من الجينات في المنطقة نفسها.



يظهر التغيير الذي ألمَّ بالصبغي (وهو عبارة عن ضرر يقل قدّه عن ميكرون واحد) كمنطقة خفيفة اللون عند فحص الخلية تحت مجهر التباين الطوري الضوئي phase contrast light microscope. ويبين الفحص الدقيق بوساطة مجهر النفاذ الإلكتروني(1) حدوث تغيير بنيوي واضح المعالم في تلك المنطقة من الصبغي، في حين لا يلحق أي ضرر بالمادة الصبغية على جانبي المنطقة المتضررة وكذلك بالسيتوپلازما (الهيولى) cytoplasm المحيطة بالصبغي. أما خفة اللون التي تُرى بوساطة المجهر الضوئي فهي ناتجة من تَغيُّر في قرينة الانكسار وليس من إزالة فعلية لأية مادة بنيوية منه، فحزمة الليزر تغير الخصائص الكيميائية والفيزيائية للصبغي من دون تخريبه تماما.



وبالمثل تمكن دراسة الغشاء الخلوي من خلال إحداث اضطراب بسيط في سيولته؛ بل إن بالإمكان شق الغشاء أيضا، إذ تُحدث حزمة الليزر ثقبا ميكرويا لا يلبث أن يلتئم في جزء من الثانية. وبوساطة هذه الطريقة التي تُعرف بالتثقيب الضوئي optoporation (أي إحداث ثقب بوساطة وسائل ضوئية)، يمكن إدخال جزيئات إلى الخلية من دون إلحاق ضرر مستديم بالغشاء.



وقد يكون التثقيب الضوئي مناسبا بصفة خاصة للمعالجة الجينية (الوراثية) للنباتات، إذ تكون جدران الخلايا النباتية صلبة نسبيا وغير قابلة للاختراق إذا ما قورنت بالأغشية المطواعة للخلايا الحيوانية. وفي جامعة كاليفورنيا بإيرڤاين قمتُ مع زميلي <H. ليانگ> باستخدام التثقيب الضوئي لإيلاج جينات في خلايا مفردة من نباتات الرزّ (الأرز). وقد كوَّنت هذه الخلايا المحوَّرة جينيا نباتات كاملة، كانت كل خلية من خلاياها تحمل الجينات المولجة وتعطي صفاتها. وتثبتُ هذه التجارب (إذا ما أُخذت في الاعتبار مع تجارب تثبيط جينات النُّوَيَّة) إثباتا واضحا إمكان استخدام مقصات الليزر في إضافة الجينات أو في حذفها.



تستطيع توليفة من مقصات وملاقط الليزر القيامَ بمنابلات دون خلوية دقيقة. ففي سيرورة سوف تكون متيسرة في مدى غضون عقد واحد من الزمن تمسك حزمتان شعاعيتان ملقطيتان (اللون الأحمر الخفيف) بإحكام بخلية معينة وتثبتانها في موضعها. ثم تخترق حزمة مقصية (اللون الأزرق الخفيف) الخلية لتحذف جينة معيبة (اللون الأحمر). وتُحدث حزمة مقصية أخرى (اللون الأزرق الداكن) ثقبا في غشاء الخلية يمكن أن يُمرَّر خلاله مقطع جيني سوي (اللون الأحمر). بعدئذ يمكن استنساخ خلايا وليدة من هذه الخلية المحورة جينيا، ثم يعاد استزراعها في الجسم بهدف إجراء العلاج المناسب.



وفي أوروبا تم مؤخرا تطبيق منابلة الأمشاج gametes (الحيوانات المنوية والبويضات) بوساطة مقصات الليزر في المستشفيات كجزء من إجراء يُعرف بالتفقيس المساعد assisted hatching. يُستخدم المقص في ترقيق أو إزالة منطقة صغيرة من الطبقة الواقية المسماة بالساحة الرائقة zona pellucida لبويضات تمّ إخصابها في أطباق اختبار. وتُنقل الأجنة الحديثة التكوين إلى الرحم، حيث يبدو أن الترقيق الذي أُجري على الساحة الرائقة يعمل على حث الانزراع implantation. وبالإمكان أيضا إنجاز الترقيق بطرائق تقليدية، ولكن الطريقة التي يُستخدم فيها الليزر تحقق الهدف المطلوب من دون اللجوء إلى استعمال مواد كيميائية سامة يمكنها الإضرار بالجنين.



إن أوسع الدراسات البشرية التي أُجريت حتى اليوم هي تلك التي أجرتها مجموعة <S. أنتينيوري> في المعهد المتحد لبحوث التكاثر البشري بروما. وتورد تلك الدراسة زيادة تربو على %50 في معدلات الحمل لأكثر من مئتي امرأة أُجري لأجنتهن ترقيق في الساحة الرائقة بوساطة أشعة الليزر مقارنة بنساء لم تُجر لأجنتهن المعالجة نفسها. وقد بدأت مؤخرا أولى المحاولات في الولايات المتحدة الأمريكية في عدة مراكز لإجراء عمليات ترقيق الساحة الرائقة، وتُجرى بحوث مماثلة في أستراليا وفي بعض البلدان الأخرى.



وبالتعاون مع مجموعة <L .N. ألبرايتون> في إيرڤاين، يقوم العاملون في مختبري باستخدام مقصات الليزر بطريقة أخرى أيضا، وذلك بفتح خلية مفردة كي يتسنى تحليل مكوِّناتها الكيميائية في أي وقت. ونحن نستغل ما يمكن أن يكون أحيانا أثرا جانبيا غير مرغوب فيه لمقص الليزر، ألا وهو تكوُّن سحابة من الغاز المتأين تسمى الپلازما الميكروية microplasma، وهي تنشأ عند تركيز ضوء الليزر على الشريحة الزجاجية للمجهر، حيث تستقر الخلية عليها أو فوقها. ويخلق تمدد وانكماش هذه الپلازما الميكروية ضغوطا ميكانيكية يمكن أن تؤدي إلى انفجار الخلية. (يستغل الأطباء مفعولا مماثلا على مستوى أكبر لسحق حصى الكلية وللتخلص من إعتام عدسة العين بوساطة موجات صدمية ناتجة من الليزر، [انظر: «جراحة الليزر»، مجلة العلوم، العددان 1/2(1994)، الصفحة 37].



تشمل الأعمال الباهرة التي تنجزها مقصات الليزر حفرَ أخاديد (الصورة اليسرى) في الساحة الرائقة المحيطة ببويضة الفأر المخصبة (المربع الصغير) لتسهيل الانزراع. كما تشمل إزالة قطعة إسفينية لها شكل الحرف V من صبغي (الصورة اليمنى) في خلية مأخوذة من جرذ الكنغر kangaroo rat. يبلغ عرض الإسفين المقتطع نحو ميكرون واحد في أعرض قسم منه.



فمن خلال وضع أنبوبة شعرية زجاجية بالغة الصغر فوق الخلية مباشرة، يمكننا جمع محتوياتها وتحليلها بحيث نحصل على لمحة سريعة عن الكيمياء الحيوية للخلية في تلك اللحظة. ولهذه الطريقة إمكانات بارزة في تطبيقات رئيسية في الكيمياء التحليلية للخلايا المفردة. ومن بين الأهداف المرجوة نذكر التحديد الدقيق لهوية وتركيب البروتينات المهمة في معالجة السرطان على مستوى الخلية المفردة.



توسيع فهمنا للمقصات

في جميع تطبيقات مقصات الليزر يحتاج الباحثون إلى توخي الدقة والانتقائية. وتعني الدقة توجيه حزمة الليزر إلى النقطة المستهدفة بدقة تامة، أما الانتقائية فتتعلق بإحداث تغيير متحكم به في الهدف وعدم إلحاق ضرر بما يحيط به.



يسهل الوصول إلى دقة مناسبة بفضل المستوى الرفيع للعناصر الضوئية للمجاهر الحديثة، إذ تُصنع العدسات الشيئية objectives وتصقل بدقة، كما تُصحَّح لونيا ضمن الطيف المرئي بأكمله بحيث تتباءر focus جميع الأطوال الموجية عند النقطة نفسها في الفضاء. لذا، فإن الباحثين الذين يستخدمون حزما ليزرية متعددة وذات أطوال موجية متباينة، سيتمكنون من مباءرة تلك الحزم في النقطة نفسها بإحكام تام.



وفي أحدث ما يُنتَج من العدسات الشيئية المغمورة في الزيت(2) للمجاهر الضوئية التي يبلغ تكبيرها مئة مرة، تؤدي قوانين الفيزياء التي تحكم قدَّ البقعة البؤرية لحزمة الليزر إلى أن تكون تلك البقعة أصغر من الطول الموجي للّيزر. يمكن لليزر النيوديميوم والإيتريوم والألمنيوم والعقيق الأحمر neodymium yttrium aluminum garnet Nd: YAG، الذي يعمل عند طول موجي قدره 523 نانومترا، أن ينتج بقعة مباءرة قطرها 499 نانومترا (أي 0.499 ميكرون). بيدَ أن الدقة قد تكون أفضل مما يبدو لأول وهلة، فحزمة الليزر التي اخترناها تنتج توزعا طاقيا گاوسيّا Gaussian، أي إنه يمكن التعبير عن الطاقة التي تكوِّن البقعة البؤرية بمنحنٍ جرسي الشكل bell-shaped curved. ولأن قمة المنحني فقط تحوي طاقة كافية لإحداث تغيير في عُضية معينة فإن البقعة الفعالة يمكن أن تكون أصغر بقدر ملموس من قطر البقعة البؤرية المقيسة.



تعتمد الطاقة التي تصل إلى الخلايا (جرعة الطاقة energy dose، وهي تقاس بالجول لكل سنتيمتر مربع) على الكثافة الإشعاعية للّيزرات نفسها وعلى مدة تعريض خلية معينة للضوء (تمثل الخطوط المائلة المنقطة جرعات طاقية ثابتة). ويبين الشكل بعض الآثار التي يمكن تحقيقها في الخلايا باستخدام تركيبات مختلفة من الكثافة الإشعاعية ومدة التعريض. يظهر بعض التسخين (اللون الأحمر) عبر مجال واسع من الطاقات، ويمثل اللون الأحمر الداكن المواضع التي يكون فيها التسخين سائدا.



يمكن أيضا تحقيق الانتقائية ـ أي التغيير المتحكم فيه ـ حسبما يتضح من التطبيقات التي تمَّ تطويرها حتى الآن. وعلى الرغم من ذلك لا يعلم الباحثون كيفية ضمان الانتقائية في كثير من التطبيقات الجديدة (سوى عن طريق ما ينجح منها عمليا)، ويرجع ذلك إلى عدم اكتمال فهمنا للتفاعل بين ضوء الليزر والأهداف البيولوجية. وهذه الحالة مألوفة في العلم، فقد استمر الناس في تناول الأسپرين قرنا كاملا قبل أن يتمكن الباحثون من كشف الكيفية التي يعمل بها على المستوى الجزيئي. ومع ذلك إن إدراك الكيفية التي يعمل بها عقار أو تقانة معينة على وجه الدقة، لا بدَّ أن يؤدي إلى ظهور تطبيقات أفضل مما سبق. لذا يبذل العلماء جهودا مكثفة لإيضاح التفاعلات المعقدة بين أشعة الليزر والخلية الحية.



وتتوافر عدة عوامل تجعل من العسير تحديد آثار أشعة الليزر بدقة. فقياس وتسجيل الأحداث في مناطق دون ميكرونية لخلية حية مفردة يمثِّل تحديا هائلا، وكذلك الأمر بالنسبة للتحكم في طاقة حزمة الليزر في نطاق هذه القدود الصغيرة. وعلى الرغم من وجود هذه العقبات يمكننا القول بأمانة بأننا لسنا في جهل تام، فنحن ندرك انطلاقا من دراسات ماكروية (عيانية) أن ثمة سيرورات process فيزيائية وكيميائية متباينة يحتمل أن تؤدي دورها في تفاعل الليزرات مع الأنسجة العضوية. ويمكن أن تُقدح هذه السيرورات بوساطة امتصاص فوتونات مفردة أو عن طريق امتصاص عدة فوتونات في الوقت ذاته تقريبا.



إن امتصاص فوتون واحد لا يؤدي إلى تسخين الهدف فحسب، بل بإمكانه التسبب في بدء تفاعلات كيميائية تُنتج جذورا حرة (طليقة) free radicals أو نواتج أخرى ضارة بالخلية. وقد تؤدي الفوتونات ذات الطاقة العالية (كما في الأشعة فوق البنفسجية) إلى كسر الروابط الجزيئية فتمزَّق الجزيئات في سيرورة process تُسمى الاستئصال الضوئي photoablation. إضافة إلى ذلك، يمكن أن تُمتص عدة فوتونات في لحظات زمنية متقاربة بحيث يعادل تأثيرها امتصاص فوتون واحد ذي طاقة عالية، كما يمكن أن يحث امتصاص هذه الفوتونات المتعددة تفاعلات كيميائية أو أن يؤدي إلى ضرب من التفكك الذي يلاحظ عند امتصاص فوتونات منفردة من الأشعة فوق البنفسجية. وقد يُحدِث أي احتمال من هذه الاحتمالات (أو جميعها معا) أثره في الهدف الخلوي دون الميكروني.



إضافة إلى الخصائص الامتصاصية للهدف يتوافر عامل أساسي آخر يحدد تأثير الليزر، ألا وهو الكثافة الإشعاعية irradiance للضوء الساقط (الطاقة التي تبلغ سطح الهدف في فترة زمنية معينة مقيسة بالواط في السنتيمتر المربع). وعندما تُستخدم الليزرات النبضية التي تعرِّض الهدف للضوء ضمن فترات تتراوح بين الميكروثوان والفمتوثوان (الفمتوثانية تساوي 10-15 من الثانية) فإن الكثافة الإشعاعية تبلغ قدرا هائلا. إن الآثار التي يُحدثها الليزر في أعقاب امتصاصه في أنسجة عُرِّضت فترات طويلة نسبيا (من أجزاء من مئة من الثانية حتى بضع دقائق) معروفة جيدا وتشمل التسخين (الذي يحتمل أن يسبب الإفساد الجزيئي للأنسجة أو تخثرها أو تبخرها) وأيضا حدوث تفاعلات كيميائية يمكن أن تفرز نواتج ضوئية ضارة (مثل الجذور الحرة). بيد أننا نظل أقل تيقنا بما يتعلق بالآثار التي تُحدثها الكثافات الإشعاعية العالية ضمن نطاق الحجوم داخل الخلايا التي تجرى عليها التجارب، إذ يقل حجم الحيِّز الذي يبلغ قطره ميكرونا واحدا عن فمتولتر واحد.



ثمة إذًا تحدٍّ رئيسي ألا وهو تعيين الحدود التي ستُحدِث عندها زيادة الكثافة الإشعاعية تغييرا في الأثر الناتج في الهدف (على سبيل المثال اكتشاف المستوى الذي يتحول عنده تأثير الليزر من تسخين الهدف إلى تكوين موجات صدمية تنتج من الميكروپلازما). ولاتزال آثار الكثافة الإشعاعية غير مكتملة التعريف حتى الآن، ولكنه من المؤكد أنها تتأثر بمدة النبضة الليزرية وكذلك بالخصائص الامتصاصية للهدف وبما يحيط به.



تمثِّل دراسات الكثافة الإشعاعية مجالا ناشطا للبحث العلمي، وتركز مجموعتنا البحثية بوجه خاص على المستوى دون الميكروني submicron realm. ولا بد أن السنوات القليلة القادمة ستشهد تقدما عظيما في توصيف تفاعلات الليزر مع الهدف، مما سيخلق الفرصة لظهور مزيد من التطبيقات الأكثر دقة للّيزرات في المستويات دون الخلوية.



وعلى الرغم من وجود هذه المجاهيل فإن بالإمكان إجراء عمليات استئصال ليزرية laser ablation بالغة الدقة تُحطَّم فيها مناطق معينة من الأهداف أو يوقف نشاطها في أي مكان من المكونات الخلوية التي تمكن رؤيتها بوساطة المجهر الضوئي. ويذكرنا هذا الأمر بمقولة <T. وليامز> بطل لعبة البيسبول ذي البصر الحديد: إذا تمكنتُ من رؤية الكرة فسأتمكن من ضربها.



لا بد أننا سنتمكن في المستقبل القريب من تخطي هذا القيد البصري. فمثلا يمكننا استعمال جزيئات ماصة للضوء وقادرة على العثور على مقطع معين من الدنا الخاص بجينة (موروثة) نرغب في معالجتها وربطها بذلك المقطع. من الممكن أن يكون قدّ المقطع أصغر من أن يُرى، أو أن يكون موقعه في الصبغي غير معروف، ولذا تُغمر الخلية بأكملها في ضوء ذي طول موجي مناسب بحيث تتنشط الجينة التي ارتبطت بها. (ثمة إمكان لاستخدام هذه الطريقة في تفعيل جينة معينة وذلك بنقل طاقة كافية لحفز سلسلة من التفاعلات الكيميائية أو ـ على نحو أبسط ـ بإيقاف نشاط جينة مثبطة). أما بقية الخلية فستغمر في الضوء فترة وجيزة ولن يلحقها أذى من ذلك.



يستطيع الليزر الإمساك بجسم ما (مثل شعاع جرّار tractor) نتيجة لمبادئ فيزيائية أساسية مثل قانون حفظ العزم conservation of momentum. إن انكسار أي زوج من الحزم الضوئية المتناظرة لليزر يُنتج قوى. والمجموعة النموذجية (الشعاعان الضوئيان A و B) تنتج القوتين Fa و Fb. وتنشأ هاتان القوتان عن استجابة الهدف للتغيير في عزم الشعاعين الضوئيين. إذا كانت البقعة البؤرية واقعة قبل مركز الهدف فإن حاصل جمع أي زوج من مثل هذه القوى هو قوة إجمالية (السهم الشاقولي F) تجر الهدف نحو الحزمة الضوئية. أما البقعة البؤرية الواقعة بعد مركز الهدف فسوف تدفع به بعيدا عن الحزمة الضوئية. وعندما تقع البقعة البؤرية إلى يمين أو إلى يسار مركز الهدف فستحرك الهدف يسارًا ويمينًا على الموالاة.



إن مقصات الليزر بنبضاتها الضوئية القصيرة والقوية فتحت المجال أمام محاولتنا إجراء جراحات مجهرية على الخلايا والجزيئات. وفي وقت لاحق انضم إليها ما يعادل الكلابات forceps، أي ملاقط الليزر laser tweezers.



وبالنسبة لغير المختصين في علم الفيزياء يبدو استخدام الضوء في اقتناص شيء وتحريكه أمرا غير معقول. فكون الضوء قادرا على التسخين أو الإحراق أو القياس أو المعايرة يبقى أمرا معقولا، أما فكرة كون الضوء قوة يمكنها الإمساك بشيء وتحريكه فقد تبدو أكثر غرابة من الأشعة الجاذبة التي تظهر في المسلسل التلفزيوني سفرات النجوم Star Trek. مع ذلك فللضوء عزم يمكن أن يقدِّمه للهدف الذي يبلغه. وتكون القوى الناتجة بالغة الضآلة بحيث يقصر إدراكنا الحسي عنها، كما يحدث عندما يسطع ضوء الشمس علينا مثلا فيدفعنا بقدر غير محسوس. بيد أن تلك القوى قد تكون كبيرة بقدر كاف للتأثير في السيرورات البيولوجية على المستوى دون الخلوي، حيث تكون كتل الأشياء متناهية في الصغر.



ما تستطيع الملاقط فعله

في أواسط الثمانينات اكتشف <A. أشكين> (الباحث في مختبرات بِل التابعة لشركة AT&T) أن حزمة ليزرية مستمرة الموجة منخفضة الطاقة (أقل من واط واحد) بوسعها القيام بصيد ضوئي لبكتيريات منفردة ولحيوانات وحيدة الخلية. وقد بيَّن هو ومعاونوه (مستخدمين ليزر أيون الأرگون الأزرق المخضر الضوء ومن بعده الليزر Nd: YAG الذي يعمل في مجال الأشعة تحت الحمراء والذي تكون الخلايا أكثر شفافية بالنسبة إليه) إمكان الإمساك بخلايا كاملة وكذلك بعُضياتها وتحريكها حسب الطلب.



بعد ذلك تمكن <S. شو> ـ الذي نال عامَ 1997 جائزة نوبل في الفيزياء ـ ومعاونوه في جامعة ستانفورد، من تبيين أن بإمكان ملاقط الليزر الإمساك أيضا بالجزيئات؛ إذ قاموا بربط حبيبات شفافة من الپوليستايرين بنهايات دنا لولبي عار (مكشوف)، ثم استخدموا قوى الصيد الضوئي optical trapping في سحب الحبيبة ومط جزيء الدنا إلى كامل طوله [انظر: «المصيدة الليزرية للجسيمات المحايدة»، مجلة العلوم، العددان 7/8(1993)، الصفحة 33]. وقد استخدم كل من <M .S. بلوك> (الباحث في جامعة پرينستون) و <P .M. شيتز> (الباحث في جامعة ديوك) الصيد الضوئي للجزيئات لدراسة محركات الكاينزين kinesin motors، وهي تراكيب بروتينية خلوية تُسيِّر الحركة المتلوية للسوط أو ذيل الحيوان المنوي (النطفة) وتحرِّك الجسيمات والعضيات في داخل الخلية.



تمكِّن تجارب ملاقط الليزر من إظهار قطبية الخلايا التائية. فقد وضعت خلايا بائية (وهي تثير إطلاق الكالسيوم في الخلايا التائية) بحرص شديد إلى جانب خلايا تائية باستخدام الملاقط. لم يسبب وضع خلية بائية عند أحد طرفي خلية تائية ساكنة حدوث أي تغيير، وبقيت صبغة متفلورة حمراء في الخلية التائية على لونها الأحمر (الصورة العليا). أما عندما لمست الخلية البائية الطرف الآخر للخلية التائية فقد انطلق الكالسيوم الذي يدل عليه وجود اللون الأصفر (الصورة السفلى).



إن الجسم الذي يكون صغير القدِّ بدرجة كافية وشفافا نسبيا لضوء ليزر ذي تردد معين، يكسر الضوء الساقط عليه مما يؤدي إلى انحناء الضوء، ونتيجة لذلك الانكسار ينتقل العزم من الضوء إلى الهدف. وعندما تكون الهندسة التي بين ترتيب حزم الضوء والهدف سليمة، فإن العزم الذي أُضفي على الهدف يسحب هذا الأخير باتجاه حزمة الليزر الواردة، وبذلك تستطيع الحزمة تثبيت الهدف في موضعه [انظر الشكل في الصفحة 77]. وبتحريك الحزمة يستطيع مشغِّل الليزر سحب الهدف من موضع إلى آخر.



تختلف حزم المقصات والملاقط بعضها عن بعض اختلافا بيّنا في مدتها وفي شدتها. فبينما تستخدم المقصات نبضات قصيرة ذات كثافة إشعاعية عالية، تستعمل الملاقط أشعة مستمرة ذات كثافة إشعاعية منخفضة. ويتعيَّن أن يكون الهدف شفافا بالنسبة لضوء الملاقط حتى تمر الحزمة من خلاله من دون أن يُمتص منها قدر ملموس من الطاقة التي تتحول إلى حرارة مخرِّبة أو حتى أنها تولِّد مفاعيل ضوئية كيميائية ضارة.



تستطيع حزمة منفردة الإمساك بخلية أو بعُضيَّة، وإن كان بوسع ذلك الجسم التملص. وتستطيع حزمة ثانية الإمساك بالهدف وتثبيته في موضعه في كماشة من الضوء. تستخدم حزم مقصات الليزر في الحالات النموذجية ضوءا يتراوح طوله الموجي ما بين 0.7 و 1.06 ميكرون، وتتراوح طاقته ما بين 25 و 500 ملي واط في بقعة بؤرية يتراوح قطرها ما بين نصف ميكرون وميكرون واحد. تولِّد هذه الحزمة قوى من مرتبة البيكونيوتن (يساوي البيكونيوتن 10-12 نيوتن)، وهي تفوق ما يكفي لصيد خلايا وتحريك عُضيَّات داخل الخلايا وخارجها.



تمكِّن ملاقط الليزر من إجراء أنماط جديدة من التجارب. وفي هذا الصدد فإن زملائي في إيرڤاين <M. كاهلان> و <J .B. ترومبِرگ> و <X. وي> و <T. كراسيڤا> و <P. نيگيوليسكو>، قاموا مؤخرا باستخدام ملاقط الليزر لتحليل العلاقة بين الشكل والوظيفة في الخلايا التائية T cells الموجودة في الجهاز المناعي. فتعريض الجزيئات الغريبة، أو المستضدات (مولِّدات الأضداد)، للخلايا البائية B cells الموجودة في الجهاز المناعي يعمل على بدء سلسلة من التفاعلات التي تشمل ارتفاعا في تركيز أيونات الكالسيوم في الخلايا التائية. ويؤدي هذا الارتفاع إلى تخصّص specialization الخلايا التائية وتكاثرها، وهما أمران حيويان بالنسبة إلى المناعة.



إن للخلايا التائية مظهرا مستقطبا polarized يُحدده شكلها والاتجاه الذي تسلكه في زحفها. وقد استُخدمت ملاقط ليزرات التيتانيوم في صيد الخلايا البائية ووضعها عند نقاط مختلفة من سطح خلية تائية. وعندما وُضعت خلية بائية عند النهاية الخلفية لخلية تائية لم تحدث أية استجابة response وانفصلت الخلية البائية عن الخلية التائية في غضون دقيقتين. أما وضع خلية بائية عند الحافة المتقدمة للخلية التائية نفسها فقد سرَّع من ارتفاع تركيز أيونات الكالسيوم داخل الخلية، مما يدل على أن سلسلة التفاعلات المتضمنة في الاستجابة كانت جارية فعلا [انظر الشكل في الصفحة 78]. وهذه النتيجة تتفق تماما مع فكرة كون الخلايا التائية وغيرها من خلايا الدم البيضاء تهاجر في اتجاهات معينة، ويرجِع ذلك جزئيا إلى استجابتها لإشارات تتسلمها بوساطة مستقبلات موجودة على طرفها الأمامي.



تستطيع ملاقط الليزر صيد خلايا متحركة أيضا. فقد أمكن لزملائي في إيرڤاين <Y. تادير> و <J .G. سونِك> و <H .W. رايت> (وهم يعملون الآن في SRI International بكاليفورنيا) أن يبيِّنوا لأول مرة أن بإمكان الملاقط الإمساك بالخلايا المنوية البشرية ومنابلتها (معالجتها) حسب الرغبة. وبالاستفادة من قدرتنا على دراسة قوى السباحة في المني، عمدنا إلى إنقاص قوة الصيد حتى يمكننا تحديد المستوى الذي يتمكن عنده الحيوان المنوي من الإفلات. وقد زودنا استقصاء «قوة الإفلات النسبية» relative escape force بوسيلة لدراسة العلاقة بين قوة السباحة والسرعة ونمط السباحة. وكان من الاكتشافات المثيرة أننا وجدنا أن الحيوان المنوي الذي يسبح في خط متعرج يسبح بقوة أكبر من الحيوانات المنوية التي تسبح في خط مستقيم. ولعل في ذلك تفسيرا للملاحظات السريرية التي توحي بأن الرجال الذين يملكون نسبة أعلى من الحيوانات المنوية التي تسبح في مسار متعرج يكونون أكثر خصوبة من نظرائهم الذين ينتجون حيوانات منوية تسبح في مسار مستقيم.



وتُبيِّن نتيجة أخرى لدراسة ملاقط الليزر أن المني المستخرج جراحيا من البربخ مباشرة (حيث ينضج المني ويُختزن قبل القذف) من رجال غير قادرين على القذف يسبح بقوة تبلغ مجرد ثلث قوة المني ذي الأداء الطبيعي (يبدو أن قوة السباحة المكتملة تتطلب النضوج التام الذي يحدث أثناء مرور المني خلال البربخ). وتساعد هذه النتيجة على تفسير سبب تحسن فرصة الإخصاب عندما تحقن الحيوانات المنوية لمثل هؤلاء المرضى في البويضات مباشرة بدلا من جعلها تحاول إخصاب البويضات في طبق التجارب، حيث يحتمل أن يتوقف النجاح على قوة سباحة الحيوان المنوي. وقد شكَّل تقييم قوة الإفلات النسبية أداة مسح قيمة لتقرير ما إذا كان نقص الخصوبة راجعا إلى ضعف القدرة على الحركة، كما أن بإمكانها اختبار استطبابات تهدف إلى تحسين القدرة على الحركة. وهكذا ينبغي أن تجد ملاقط الليزر دورا تؤديه في التدبير السريري للعقم وفي بحوث قدرة الحيوانات المنوية على الحركة.



يضم جهاز الأشعة الميكروية (المجهرية) لمقصات الليزر ليزرا نبضيا ومجهر تباين طوريًّا phase contrast microscope. تظهر النبضات التي تستغرق عشرة نانوثوان كومضات ضوئية متميزة على خط مسار الليزر. إن الجهاز المبين في الصورة هو السلف السابق لجهاز الاستئصال الصائد المتحد البؤرة(3).



يجب أن يُنجز استخدام الملاقط في تلك المهام بحرص ودقة؛ لأن تعريض الحيوان للملقط قد يعوق حركته، ولعل ذلك راجع إلى الآثار الحرارية أو الكيميائية الضوئية. والواقع أن الحرارة مسألة أكثر إلحاحا في حالة الملاقط منها في حالة المقصات بسبب الحزمة المستمرة المستخدمة في الأولى.



وقد أُجريت قياسات للحرارة المتولدة من الملاقط بوساطة ترومبِرگ وسونِك و<Y. ليو> (الذين يعملون الآن في شركة Beckman Instruments بكاليفورنيا). وقد تمكنوا من تسجيل ارتفاعات في درجات الحرارة في المناطق المشعَّعة من الخلايا، وذلك بربط جزيء حساس للحرارة يسمى لوردان Laurdan إما بأغشية خلوية صُنعية [ليبوزومات (جسيمات دهنية)] أو بخلايا مبيض الهَمِسْتَر الصيني في مزرعة اختبارية وقياس شدة تفلور الإصدار وأطواله الموجية.



لقد سجَّل هذا «الميزان الحراري الميكروي (المجهري)» الخلوي ارتفاعا في درجة الحرارة يتراوح ما بين 1.15 و 1.45 درجة مئوية لكل مئة ملي واط من طاقة الليزر في البقعة البؤرية. وقد تُنتج الملاقط عشرة أضعاف تلك القوة، فإذا لم يكن التشتت الحراري كافيا فستحدث تغيرات ضارة في معدلات التفاعلات البيوكيميائية، وسيتوقف نشاط البروتينات الحساسة للحرارة (وهي تشمل الإنزيمات)، وسيصيبها الموت الخلوي. إن هذه القياسات المعتمدة على مادة اللوردان تمثل إضافة مهمة لقاعدة المعلومات المتنامية حول موضوع التفاعلات بين الليزر والهدف.



ضمُّ التقانات بعضها إلى بعض

تشكِّل مقصات وملاقط الليزر أدوات قوية كل في حد ذاته، ولكن الطرائق التي تستخدمهما (كلا منهما على حدة أو الاثنتين معا) تتيح إجراء عمليات أكثر حذقا وإبداعا في مجال منابلة (معالجة) الخلايا وتغييرها. وقد قامت زميلتي السابقة في بحوث ما بعد الدكتوراه <R. ويكاند-ستوبينك> بأول تطبيق استُخدمت فيه مقصات وملاقط الليزر معا؛ إذ استخدمت ملقط الليزر Nd: YAG الذي يعمل في مجال الأشعة تحت الحمراء لتحريك خليتي ميلوما myeloma بشريتين، ومقص ليزر النتروجين النبضي ذا الضوء فوق البنفسجي لقطع غشائيْ خليتين متلامستين بحيث اندمجت الخليتان في خلية هجينة واحدة تحتوي على مجينيْ (جينومي) الخليتين معا. إن الخلايا الملتحمة في كيان واحد يمكن أن تجمع خواصّ قيِّمة، مثل قدرة إحدى الخليتين على إنتاج مادة نافعة مع قدرة الخلية الأخرى على الانقسام غير المحدود.



وتعزيزا لدراسات الإمساك بالحيوانات المنوية، قامت مجموعة أوروبية (تشرف عليها <K. شوتز>، في مركز هارلاتشنگ لتطبيقات الليزر بميونخ) باستخدام ملاقط الليزر للإمساك بحيوانات منوية منفردة مأخوذة من ثيران وتوجيهها إلى داخل بويضات من خلال ثقب في الساحة الرائقة أُحْدِث بوساطة مقص الليزر. وقد أدَّت هذه الطريقة إلى حدوث الإخصاب في نسبة صغيرة من الحالات، كما أدَّت جهود مماثلة إلى الحصول على النتائج نفسها في مني وبويضات الفئران.



وقد تُزودنا مقاربة approach مماثلة (إذا ثبت أنها مأمونة وفعالة) ببديل عن الطرائق الحالية لمنابلة الأمشاج في البشر، ويكاد يكون من المؤكد أنها ستؤدي دورا مهما في استيلاد الحيوانات. وعلى الرغم من أن الحذر والالتزام بالسياسات الحكومية الأمريكية يوجِّهان الطرائق الجديدة للعمل، فإن الباحثين في التناسل المساعد assisted أظهروا اهتماما بالغا بمقصات وملاقط الليزر. وقد بدأت شركتان في تسويق مجمّعات من الأجهزة الليزرية المتعددة الأغراض للاستخدام في مستوصفات الخصوبة fertility clinics. ومن المتوقع أن تكون المنابلات الميكروية (المجهرية) للمني وللبويضات باستعمال النّظم الليزرية أسرع وأكثر كفاءة من الطرائق التقليدية.



إن الربط بين مقصات وملاقط الليزر يمكِّن من منابلة عُضيات وخلايا كاملة بنحو لم يسبق له مثيل. فبالتعاون مع <D .E. سالمون> (الباحث في مركز وادزْوورث للمختبرات والبحوث بنيويورك) بدأنا بإجراء دراسات على مستوى العضيات باستخدام مقصات الليزر بغية قطع صبغيات في غمرة الانقسام المتساوي mitosis (وهو الانقسام الخلوي). بعد ذلك قمنا باستخدام ملاقط الليزر في تحريك القِطع داخل الخلية، وكان هدفنا هو دراسة القوى التي يبذلها مغزل الانقسام mitotic spindle، وهو الأداة الخلوية التي تسحب الصبغيات المتناسخة replicated إلى الطرفين المتقابلين من الخلية أثناء انقسامها.



وعلى غير المتوقع استطعنا أن نحرك، بحرية، قِطَعًا كانت موجودة خارج المغزل، ولكننا لم نستطع تحريك قطع صبغيات من السيتوپلازما إلى داخل المغزل. وقد أكدت هذه الدراسات وجود «قفص» مغزلي يمنع المواد الغريبة، مثل قِطع الصبغيات الحديثة التكوين، من الولوج إلى داخل المغزل. ولأن الانقسام المتساوي يحمل المادة الجينية (الوراثية) إلى الجيل التالي، فمن المحتمل أن يكون التطور قد أفرز منظومة يبدو أنها تحول بين المواد غير المرغوب فيها وبين منطقة المغزل.



يجري استخدام هذه الأدوات على نطاق واسع بوساطة ريدر ومعاونيه الذين تمكنوا حينذاك من تبيين قدرة ملاقط الليزر على تثبيط حركة قطع الصبغيات التي قُصَّت بالليزر والتي تكون موجودة فعلا في داخل المغزل. لقد مكَّنت هذه الطرائق مؤخرا من إجراء دراسات غير باضعة (غير مؤذية) noninvasive للقوى الفاعلة في داخل مغازل خلايا منفردة. ولما كان المغزل عاملا أساسيا في الانقسام الخلوي فإن إماطة اللثام عن خصائصه والطرائق التي يعمل بها يمكن أن تؤدي إلى فهمٍ أكثر تفصيلا للأمراض المتصلة بالانقسام الخلوي كالسرطان والعيوب الخلقية (الولادية).



وضمن موارد التقانة البيولوجية للبرنامج الطبي المنطوي على استعمال الحزمة الميكروية الليزرية والذي ترعاه معاهد الصحة القومية في الولايات المتحدة الأمريكية، أنشأنا مجمعا ليزريا يضم حزمتين من ملاقط الليزر وحزمة من مقصات الليزر في مجهر تفلور ليزري متحد البؤرة(4)، إذ تكون هذه الليزرات قابلة للتوليف (أي يمكن ضبطها عند أي طول موجي). وتوفير هذه القدرات في مجمع واحد متعدد الأغراض سيفي بالاحتياجات المتعددة للباحثين في بيولوجيا الخلية. وسيستطيع الباحث رصد خلايا أو عضيات متفلورة من خلال المجهر المتحد البؤرة في أثناء فترة عمل ملاقط ومقصات الليزر وبعدها. لقد صار جهاز الاستئصال الصائد المتحد البؤرة (CATS) (الذي يجري تشغيله من خلال ذراع تحكم) متيسِّر الاستعمال ضمن نطاق واسع من الدراسات الخلوية ودون الخلوية، بما في ذلك تلك التي تحسِّن الطرائق اللازمة لتحديد تسلسل sequence الدنا [أي فك شيفرة decipher ترتيب أزواج القواعد (أو الكودات) التي يحملها مقطع من الدنا].



ويستخدم زميلاي في إيرڤاين <B. هاماكو> و <A. جاسينكاس> هذه التقانة لبتر القطعة المركزية (السنترومير) للصبغي، حيث تتصل الأنيبيبات الميكروية (الدقيقة) للمغزل. ويختلف الباحثون حول النشاط الجيني لهذه المنطقة، ولكن كان من الصعب في الماضي عزل المنطقة المركزية وتحليلها للكشف عما تحويه من تسلسل جيني ناشط، وسوف تُعين المقصات والملاقط الليزرية على حسم هذا الجدل.



لقد مضت أكثر من ثمانين سنة منذ إرساء آينشتاين للأساس النظري للّيزرات، وبحلول أوائل الستينات أصبح ضوء الليزر حقيقة واقعة بفضل بحوث الفيزيائيين الروسيين والأمريكيين. إن الأدوات الضوئية المتضمنة لليزرات قد مكَّنت البيولوجيين من أن يصبحوا جراحين خلويين يسبرون الخلايا والعضيات وينابلونها. ولتطبيق هذه التقانات مضامين بعيدة المدى بالنسبة للطب وبيولوجيا التطور ودراسة تركيب الخلايا ووظائفها وإماطة اللثام عن المجين (الجينوم) البشري ومنابلته. إن مستقبل البحوث البيولوجية القائمة على الليزر وتطبيقاته سيكون باهرا حقا.



المؤلف

Michael W. Berns

هو أستاذ كرسي <أرنولد وميبل بكمان> في جامعة كاليفورنيا بإيرڤاين. وهو أيضا مؤسس مشارك (مع رجل الصناعة <O .A. بكمان>) لمعهد بكمان للّيزر والمستوصف الطبي في تلك الجامعة. وتشمل اهتماماته البحثية الوراثيات ِgenetics والحركة الخلوية والتفاعلات (التآثرات) بين الليزر والأنسجة والتطبيقات السريرية لليزرات في أمراض السرطان وطب العيون والطب التناسلي.