میکرواینجکشن: تعریف، اصول، مراحل و کاربرد

میکرواینجکشن چیست؟

میکرواینجکشن یکی از روش های فیزیکی انتقال ژن است که برای وارد کردن DNA یا سایر مواد ژنتیکی مستقیماً به داخل سلول با استفاده از یک سوزن شیشه ای کوچک یا میکروپیپت استفاده می شود.

این روش امکان انتقال و ادغام موثر ژن های مورد نظر در ژنوم سلول میزبان را فراهم می کند. همچنین امکان کنترل دقیق بر تحویل مواد مورد نظر را فراهم می‌کند که آن را به یک ابزار قدرتمند در زمینه‌های مختلف تحقیقاتی تبدیل کرده است

دکتر مارشال باربر، مفهوم میکرواینجکشن DNA را در اوایل قرن نوزدهم معرفی کرد. از آن زمان، میکرواینجکشن به طور مداوم برای همگام شدن با پیشرفت‌های حوزه‌های زیست پزشکی تکامل یافته است. این تکنیک در زمینه های مختلفی مانند تراریختگی، شبیه‌سازی حیوانات، درمان ناباروری انسان، مهندسی ژنتیک و ویرایش ژنوم کاربرد دارد.

اصول میکرواینجکشن

این تکنیک بر اساس تحویل مستقیم مواد ژنتیکی به سلول‌های منفرد، با استفاده از یک سوزن شیشه‌ای ظریف به نام میکروپیپت، یک دستگاه تثبیت کننده موقعیت‌ به نام میکرومانیپولاتور و یک میکرواینجکتور است. این فرآیند زیر یک میکروسکوپ قوی انجام می شود. ماده ژنتیکی، با اعمال فشار هیدرواستاتیک برای آزادسازی مایع حاوی DNA از طریق میکروپیپت، به سلول منتقل می شود. قطر کوچک نوک میکروپیپت و حرکت ظریف میکرومانیپولاتور، امکان تحویل دقیق مواد مورد نظر را فراهم می کند.

مراحل

1. ابتدا نوک میکروپیپت یا سوزن شیشه‌ای حرارت داده می‌شود و با کشیدن و فرم دادن به آن، یک نوک ظریف شبیه سوزن تزریق ایجاد می‌شود که قطر آن معمولاً حدود 0.5 میلی‌متر است.
2. کل فرآیند تحویل مواد خارجی در میکرواینجکشن، زیر یک میکروسکوپ قدرتمند انجام می شود تا امکان دستکاری و مشاهده دقیق فراهم شود.
3. سلول‌هایی که قرار است تزریق شوند در یک ظرف مخصوص قرار می گیرند.
4. یک پیپت نگهدارنده در نزدیکی سلول هدف قرار می‌گیرد که با استفاده از مکش ملایم، سلول را در طول فرآیند تزریق ثابت نگه می‌دارد.
5. میکروپیپت حاوی محتویات مورد نظر، بر روی یک میکرومانیپولاتور نصب شده است که امکان یافتن موقعیت دقیق سلول و حرکت دقیق پیپت را فراهم می کند. میکروپیپت در نزدیکی سلول پایین آورده می‌شود.
6. بسته به موقعیت مورد نظر برای تزریق ماده ژنتیکی (سیتوپلاسم و یا هسته)، میکروپیپت به دقت وارد غشای سلولی می‌شود. سپس محتویات میکروپیپت با اعمال فشار هیدرواستاتیک، با استفاده از میکرواینجکتور به داخل سلول تزریق می‌شود. فشار، مایع حاوی ماده ژنتیکی را از داخل میکروپیپت به داخل سلول آزاد می‌کند.
7. پس از تزریق محتویات به داخل سلول، سوزن خالی به آرامی و با احتیاط از سلول خارج می‌شود تا آسیب به سلول و غشای آن به حداقل برسد. انجام تکنیک بطور صحیح و استفاده از میکروپیپت‌های با کیفیت، احتمال آسیب و مرگ سلول در این مرحله را کاهش می‌دهد.

کاربردها

برخی از کاربردهای عمده عبارتند از:

• روش میکرواینجکشن معمولاً در تولید حیوانات تراریخته، برای مطالعه عملکرد ژن و ایجاد مدل‌های بیماری استفاده می‌شود. در این روش DNA خارجی را به تخم‌های بارور شده وارد می‌کنند.
• برای تولید اولین موش های تراریخته کایمریک، از روش میکرواینجکشن استفاده شد. حیوانات کایمریک برای مطالعه تکوین جنین، پیوند بافت و درک رده های سلولی مفید بوده‌اند.
• در زمینه لقاح آزمایشگاهی، میکرواینجکشن در تزریق داخل سیتوپلاسمی اسپرم (ICSI) استفاده می‌شود که امکان لقاح موفقیت آمیز را در مواردی که مرد نابارور است فراهم می‌کند و منجر به بارداری و زایمان موفقیت آمیز می‌شود. در ICSI، اسپرم دارای نقص در حرکت مستقیماً به تخمک های جدا شده تزریق می‌شود.
• در روش انتقال هسته سلول سوماتیک (SCNT)، از میکرواینجکشن استفاده می‌شود، به این صورت که با انتقال یک سلول سوماتیک به یک تخمک بدون هسته، کپی‌های ژنتیکی یکسان از یک موجود زنده ایجاد می‌‌شوند.
• میکرواینجکشن به طور گسترده در مطالعات مختلف از جمله تحقیقات جنین انسان و تزریق سلول های میتوزی مورد استفاده قرار گرفته است.
• در علوم اعصاب، میکرواینجکشن برای کار کردن با نورون‌های انسانی اولیه کشت داده ‌شده و تحویل دادن پروتئین‌ها، پپتیدها و ساختارهای cDNA به سیتوزول نورون‌های انسانی مفید است، درحالی که انجام آن با استفاده از تکنیک‌های دیگر انتقال ژن دشوار است.

مزایا

• برخلاف سایر روش‌های انتقال ژن، میکرواینجکشن نیازی به استفاده از مارکرهایی مانند ژن‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک ندارد. این موضوع، فرآیند را آسان‌تر کرده و از مراحل اضافی برای شناسایی و جداسازی سلول‌ حاوی ماده ژنتیکی جدید، بی‌نیاز می‌کند.
• در میکرواینجکشن حجم دقیقی از مواد به سلول تزریق می‌شود، در حالی که این کار در روش‌های دیگر مانند الکتروپوریشن یا ترانسفکشن چالش برانگیز است.
• شناسایی سلول‌های تزریق شده، با تزریق همزمان یک رنگ نشانگر یا پروتئین‌های نشاندار شده با فلورسنت به راحتی امکان‌ پذیر است.
• میکرواینجکشن در مقایسه با الکتروپوریشن، به آماده سازی کمتری برای پروتئین نیاز دارد، که آن را برای آزمایش‌هایی که شامل پروتئین‌ها و پپتیدهای کم یا گران قیمت هستند، سودمند می‌سازد.
• میکرواینجکشن باعث استرس سلولی کمتری می‌شود و مرگ سلولی که معمولاً با روش‌های ترانسفکشن شیمیایی یا انتقال ویروسی مشاهده می‌شود را کاهش می‌دهد.

معایب

• میکرواینجکشن نیاز به کنترل‌هایی دارد تا اثرات بالقوه بر بقای سلول را ارزیابی کرده و از دقیق بودن نتایج اطمینان حاصل شود.
• از دیگر محدودیت های این روش، نیاز به تخصص و تسلط به میکرواینجکشن است تا بقای سلول‌ حفظ شود.
• برای رساندن مواد خارجی غیرقابل نفوذ به سلول‌ها، استفاده از تکنیک‌های جایگزین مانند ترانسفکشن، انتقال ویروسی و الکتروپوریشن در مقایسه با میکرواینجکشن محبوب‌تر شده است.
• میکرواینجکشن بصورت دستی، کاری وقت‌گیر بوده و نیاز به نیروی متخصص دارد و برای آزمایشات در مقیاس وسیع یا تکنیک‌های high-throughput کاربردی نیست.
• میکرواینجکشن به طور معمول شامل تزریق تعداد کمی از سلول‌ها در یک کشت سلولی بزرگ‌تر است که می‌تواند مقیاس‌پذیری را کاهش دهد.
• میکرواینجکشن در تکنیک‌هایی مانند وسترن بلات یا خالص‌سازی، برای انتقال مواد ژنتیکی به تعداد زیادی سلول روش مناسبی نیست.
• میکرواینجکشن مستقیم پروتئین های خاص مانند پروتئین‌های غشایی یا گیرنده‌های انتقال‌دهنده عصبی، چالش برانگیز است.

همچنین بخوانید:

• آشنایی با تکنیک های آزمایشگاهی بیشتر در ویکی ژن

مترجم: نگار باطنی

منبع