กล้องจุลทรรศน์โปรตอน

นักวิจัยสิงคโปร์ใช้กล้องจุลทรรศน์โปรตอนที่ทันสมัยที่สุดในโลก เพื่อหาคำตอบว่าธาตุปริมาณน้อยมีบทบาทอย่างไรในการทำให้เกิดโรค

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเป็นเทคนิคที่มีการใช้กันมานานแล้ว โดยใช้สำหรับถ่ายภาพโครงสร้างและพื้นผิว ซึ่งให้รายละเอียดได้ดีเหนือขีดจำกัดของการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง กล้องจุลทรรศน์โปรตอนคล้ายกับกล้องจุลทรศน์อิเล็กตรอน แต่ใช้อนุภาคโปรตอนพลังงานสูง ซึ่งแม้จะต้องใช้เทคโนโลยีที่ซับซ้อนกว่าอิเล็กตรอนในการโฟกัสโปรตอน เนื่องจากโปรตอนมีโมเมนตัมมากกว่า แต่กล้องจุลทรรศน์โปรตอนก็มีจุดเด่นในการแสดงชนิดของธาตุบนพื้นผิวได้ โดยมีความแม่นยำสูงในระดับของส่วนในล้านส่วน (parts-per-million) การใช้โปรตอนจึงเป็นเทคนิคที่ใช้ประโยชน์ได้สมบูรณ์แบบ เนื่องจากโปรตอนเป็นนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน และมีอยู่ในนิวเคลียสของธาตุทุกชนิด เทคนิคนี้จึงเรียกว่า จุลทรรศน์นิวเคลียร์ (nuclear microscopy)

กล้องจุลทรรศน์นิวเคลียร์สามารถแสดงปริมาณธาตุทุกชนิดในตารางธาตุ ขณะที่ให้ภาพถ่ายของโครงสร้างออกมาในเวลาเดียวกัน เทคโนโลยีในการโฟกัสโปรตอนพลังงานสูง ยังอยู่ในช่วงของการพัฒนา เมื่อเปรียบเทียบกับการโฟกัสอิเล็กตรอน กำลังแยก (resolution) ของภาพถ่ายยังจำกัดอยู่ที่ประมาณ 300 นาโนเมตร สำหรับการวิเคราะห์ธาตุโดยใช้เทคนิค Proton-Induced X-Ray Emission (PIXE) และ Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) ส่วนการถ่ายภาพโครงสร้าง (structural imaging, STIM) สามารถถ่ายภาพขนาดต่ำกว่า 100 นาโนเมตรได้ การใช้เทคนิค PIXE และ RBS ในรูปที่ 1 แสดงให้เห็นว่า ไม่มีอลูมิเนียมในชิ้นงาน ซึ่งขัดแย้งกับทฤษฎี then-prevailing theory ที่กล่าวว่า พิษของอลูมิเนียมเป็นสาเหตุทำให้เกิดโรค

รูปที่ 1 Scanning transmission ion micrograph (STIM) –ของชิ้นเนื้อ (plaque) ของโรคอัลไซเมอร์ไม่ย้อมสี ความหนา 10 ไมโครเมตร โดยใช้เทคนิค proton capture ของโปรตอนพลังงาน 2 MeV ทำให้ได้ภาพของ amyloid ที่มีความทึบมากกว่าเนื้อเยื่อโดยรอบ การวิเคราะห์ในเวลาเดียวกันด้วยเทคนิค PIXE และ RBS แสดงให้เห็นว่าไม่มีอลูมิเนียม ซึ่งตรงข้ามกับทฤษฎี then-prevailing ที่กล่าวว่าพิษของอลูมิเนียมเป็นสาเหตุทำให้เกิดโรค

เครื่องมือนี้สามารถให้ภาพถ่ายของโครงสร้างเนื้อเยื่อที่ไม่ย้อมสี (ในรูปที่ 1) ขณะเดียวกันก็สามารถหาธาตุปริมาณน้อยในชิ้นงานได้ในแบบจุลทรรศน์นิวเคลียร์ ดังที่ Judith P Landsberg, Brendan McDonald, และ Frank Watt ได้อธิบายไว้ในบทความของวารสาร Nature (360:65-7,1992) คณะผู้วิจัยได้ถ่ายภาพและวิเคราะห์ amyloid plaques จากเนื้อเยื่อสมองที่เป็นโรคอัลไซเมอร์ (Alzheimer's disease, AD) การที่ไม่มีธาตุอลูมิเนียมในชิ้น AD plaques จากเนื้อเยื่อที่ไม่ย้อมสี ให้ผลตรงกันข้ามกับผลการตรวจสอบก่อนหน้านี้ ที่พบอลูมิเนียมระดับสูงใน plaque โดยใช้เทคนิคการย้อมสีแบบ immunohistochemical stain ผลงานชิ้นนี้ได้ลบล้างทฤษฎี then-prevailing theory ที่กล่าวว่า อลูมิเนียมอาจจะเป็นสาเหตุทำให้เกิดโรคอัลไซเมอร์ และเน้นย้ำให้เห็นความสำคัญในการพัฒนาการวิเคราะห์ในระดับ microanalysis เนื่องจากการวิเคราะห์ธาตุโดยการจับด้วยสารเคมีและย้อมสีเนื้อเยื่อ อาจนำไปสู่การแปลความหมายที่ผิดพลาดได้

Centre for Ion Beam Applications (CIBA) ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยแห่งชาติสิงคโปร์ (National University of Singapore, NUS) เป็นผู้นำในการใช้โปรตอนพลังงานสูงในการวิจัยประยุกต์ในหลายด้าน (รูปที่ 2) รวมทั้งการใช้ในงานจุลทรรศน์โปรตอน กล้องจุลทรรศน์โปรตอนของ CIBA สามารถแสดงภาพถ่ายของแผนภาพปริมาณธาตุ (quantitative elemental mapping) ได้ถึงระดับส่วนในล้านส่วน (ppm) และแสดงรายละเอียดได้ถึงระดับของเซลล์หรือเล็กกว่า

รูปที่ 2 เครื่องมือของ CIBA ซึ่งใช้เทคโนโลยีของลำโปรตอนพิเศษ แสดงภาพนักวิจัยกำลังปฏิบัติงานกับเครื่องสแกนลำโปรตอนเครื่องแรกของโลก ด้านหลังของนักวิจัย คือ กล้องจุลทรรศน์โปรตอนของ CIBA อุปกรณ์ของลำไอออนพลังงานสูง สำหรับศึกษาวัสดุ และเครื่องเร่งอนุภาคโปรตอน ด้วยศักย์ไฟฟ้า 3 ล้านโวลต์

สมาชิกในกลุ่มของ CIBA ได้ร่วมกับภาควิชาชีวเคมี กายวิภาคศาสตร์ และเภสัชศาสตร์ ของ NUS ในการวิเคราะห์บทบาทของธาตุปริมาณน้อย (trace element) ต่อความสำคัญของการเกิดโรค Alzheimer's, Parkinson's และ atherosclerosis งานวิจัยปัจจุบันได้เน้นไปที่ บทบาทของ เหล็ก สังกะสี และทองแดง ต่อพัฒนาการในการเกิดโรค

รูปที่ 3 แสดงตัวอย่างศักยภาพของงานจุลทรรศน์นิวเคลียร์จากการใช้โปรตอน แสดงผลของภาพถ่ายจากการสแกนภาคตัดขวางของเนื้อเยื่อผนังเส้นเลือดใหญ่ (artery-wall) ของกระต่ายขาวจากนิวซีแลนด์ ที่ให้อาหารที่มีคอเลสเตอรอลสูงเป็นเวลา 2 เดือน คอเลสเตอรอลที่สูง เหนี่ยวนำให้เกิด atherosclerosis ในสัตว์ วิการ (lesion) ของ atherosclerotic แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนในภาพถ่ายของโครงสร้าง (STIM) ที่มีส่วนนูน (bulge) ที่ผนังด้านหนึ่งของเส้นเลือด

รูปที่ 3 แผนภาพปริมาณธาตุและโครงสร้าง จากการสแกนด้วยโปรตอน ตามภาคตัดขวางของเนื้อเยื่อเส้นเลือดใหญ่ ของกระต่ายขาวนิวซีแลนด์ ที่ให้อาหารคอเลสเตอรอลสูงเป็นเวลา 8 สัปดาห์ ภาพถ่ายจากการเหนี่ยวนำให้เกิดวิการของ atherosclerotic แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนในภาพ STIM เป็นส่วนนูนด้านซ้ายของผนังหลอดเลือด

แผนภาพธาตุปริมาณน้อยจากการถ่ายพร้อมกัน โดยใช้เทคนิค PIXE และ RBS ทำให้ได้ข้อสังเกต 4 อย่าง คือ เหล็กในวิการนี้มีค่าสูง หมายถึงมีโอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยากับอนุมูลอิสระ (free radical) สังกะสี ซึ่งเป็นธาตุที่ต่อต้านการเกิด atherosclerotic มีปริมาณลดลง ทองแดง มีปริมาณลดลง แสดงว่า มีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดอนุมูลอิสระ สุดท้ายมีการสะสมของหินปูน แสดงว่าหลอดเลือดเริ่มมีการแข็งตัว

การวิเคราะห์ปริมาณธาตุแสดงให้เห็นว่า วิการนี้มีการเพิ่มขึ้นของเหล็กที่ผนังหลอดเลือด ที่มีค่าเฉลี่ย 90ppm เปรียบเทียบกับค่าปกติที่ 12ppm ความเข้มข้นของเหล็กมีส่วนสัมพันธ์อย่างมากต่อระดับของวิการในผนังหลอดเลือด หมายความว่า ความเข้มข้นของเหล็กในบริเวณวิการนี้ อาจเป็นตัวเร่งการเกิด atherogenesis ของผนังหลอดเลือด ดังที่ Watt, Barry Halliwell และผู้ร่วมงานจาก NUS ค้นพบในการศึกษาก่อนหน้านี้ (Free Radical Biology and Medicine 34(6):746-52, 2003) ซึ่งต่างจากสังกะสี ที่ในวิการมีปริมาณลดลงเหลือ 50ppm เมื่อเปรียบเทียบผนังหลอดเลือดบริเวณอื่นที่มี ~100ppm ซึ่งความเข้มข้นมีความสัมพันธ์ที่ตรงข้ามกับระดับของวิการ หมายความว่า สังกะสี อาจทำหน้าที่ต่อต้านการเกิด atherosclerotic นักวิจัยได้ทดลองต่อไป โดยการให้อาหารที่มีสังกะสีเพิ่มขึ้นกับกระต่าย ซึ่งได้ผลที่สนับสนุนแนวคิดนี้ (Free Radical Biology and Medicine. In Press (2006)

ระดับของทองแดงโดยทั่วไปจะต่ำกว่าปกติ และใกล้เคียงกับค่าที่ได้จากการวัดด้วย PIXE โดยในวิการอยู่ที่ ~2ppm เมื่อเทียบกับเซลล์ของกล้ามเนื้อเรียบในหลอดเลือดที่มีค่า ~4ppm และในวิการที่เกิดขึ้นใหม่ นักวิทยาสาสตร์พบว่า มีความเข้มข้นของแคลเซียม ~450ppm ต่ำกว่าปกติ ซึ่งผนังหลอดเลือดที่มีสภาพดี มีค่า ~575ppm ขณะที่วิการที่เกิดมานาน แสดงให้เห็นว่ามีการสะสมของแร่ธาตุที่ผนังหลอดเลือดแล้วกลายเป็นวิการ ผลการวิจัยนี้ได้นำไปสู่การศึกษาเพิ่มขึ้น เพื่อหาผลกระทบของธาตุต่อการทำให้เกิดโรค

งานจุลทรรศน์นิวเคลียร์ยังอยู่ในขั้นเริ่มต้น และ CIBA ก็เป็นเพียงหนึ่งในไม่กี่แห่งในโลก ที่ใช้เทคนิคนี้ในการวิจัยทางชีวการแพทย์ อุปกรณ์นี้เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ โดยการถ่ายภาพพร้อมทั้งหาปริมาณธาตุแบบ microanalysis ได้ในระดับที่เล็กกว่าเซลล์ ซึ่งจะเป็นเครื่องมือที่ช่วยนักวิจัยนำไปสู่การหากลไกในการทำให้เกิดโรค

เทคนิคจุลทรรศน์นิวเคลียร์ (Nuclear Microscopy Techniques)

Particle Induced X-ray Emission (PIXE) เมื่อโปรตอนความเร็วสูงชนกับวัตถุ จะทำให้อิเ็ล็กตรอนวงในของอะตอมของธาตุในวัสดุหลุดออกมา ทำให้เกิดที่ว่างที่ตำแหน่งของอิเล็ตรอนวงใน อิเล็กตรอนที่อยู่วงนอกจะเข้าไปแทนที่ว่างนั้น โดยปลดปล่อยโฟตอนในรูปของรังสีเอกซ์ออกมา ซึ่งมีพลังงานจำเพาะของแต่ละธาตุ การตรวจวัดและจำแนกพลังงานของรังสีเอกซ์ที่เกิดจากการเหนี่ยวนำด้วยโปรตอน (proton-induced X-rays) ทำให้สามารถวิเคราะห์ธาตุในตัวอย่างได้ การโฟกัสลำโปรตอนให้มีขนาดเล็กกว่าไมครอน (sub-micron) และสแกนลำโปรตอนไปบนตัวอย่าง สามารถนำไปสร้างแผนภาพของธาตุ โดยสามารถแสดงข้อมูลของธาตุปริมาณน้อยได้ถึงระดับส่วนในล้านส่วน

Scanning Transmission Ion Microscopy (STIM) ถ้าตัวอย่างมีความบางเพียงพอ (เช่น เนื้อเยื่อทางชีววิทยามีความหนาน้อยกว่า 20 ไมโครเมตร) โปรตอนจะมีพลังงานเพียงพอที่จะเคลื่อนที่ผ่านตัวอย่างไปได้ โดยมีการสูญเสียพลังงานขณะที่เคลื่อนที่ไป นักวิจัยสามารถวัดพลังงานที่สูญเสียไปของโปรตอน แล้วนำไปสร้างแผนภาพความหนาแน่นของโปรตอนแต่ละพลังงานบนตัวอย่าง

Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) โปรตอนส่วนใหญ่ที่ผ่านเข้าไปในตัวอย่าง จะเกิดปฏิกิริยากับอะตอมโดยโปรตอนเข้าไปชนอิเล็กตรอนของอะตอม แต่มีบางส่วนที่เข้าไปชนกับนิวเคลียสของอะตอมในตัวอย่าง ในกรณีนี้ โปรตอนจะกระดอนกลับ และมีการสูญเสียพลังงานขึ้นกับมวลของนิวเคลียส โดยโปรตอนที่สะท้อนกลับจากนิวเคลียสของธาตุที่เบากว่าจะสูญเสียพลังงานมากกว่า การวัดพลังงานของโปรตอนที่สะท้อนกลับ จะทำให้สามารถหาปริมาณธาตุเบาในตัวอย่างได้ (ตัวอย่างเช่น คาร์บอน และออกซิเจน)

ถอดความจาก Microscopy with Protons
เวบไซต์ http://www.innovationmagazine.com/innovation/