การสังเกตไวรัสโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (EM)

โคโรนาไวรัสสายพันธุ์กลุ่มอาการทางเดินหายใจเฉียบพลันรุนแรง 2 หรือ SARS-CoV-2
เครดิต U.S. National Institutes of Health/AP/Shutterstock

          ในตอนเรียนวิชาวิทยาศาสตร์สมัยมัธยมศึกษา ในบทแรกๆจะมีสอนเรื่องประสาทสัมผัสของมนุษย์บางครั้งก็ไม่สามารถเชื่อถือได้ เราจึงจำเป็นต้องใช้เครื่องมือวัดทางวิทยาศาสตร์ อีกทั้งประสาทสัมผัสของมนุษย์ยังมีความสามารถจำกัด จึงต้องอาศัยอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์มาช่วยขยายการรับรู้ของมนุษย์ ดวงตาของมนุษย์สามารถมองเห็นได้จำกัด มนุษย์จึงผลิตกล้องโทรทรรศน์ (telescope) มาใช้สังเกตวัตถุที่อยู่ไกลๆ เช่นเทหวัตถุต่างๆบนท้องฟ้า ผลิตกล้องจุลทรรศน์ (microscope) มาใช้สังเกตที่มีขนาดเล็กมากๆไม่สามารถมองได้ด้วยตาเปล่า สิ่งเหล่านี้สร้างประโยชน์แก่มนุษย์มากมายมหาศาล


          เมื่อสมัยประมาณ 2500 ปีที่แล้ว ชายชาวกรีกคนหนึ่งชื่อ ฮิปพอคราทีส (Hippocrates) ซึ่งปัจจุบันเขาได้รับการยกย่องให้เป็น บิดาแห่งการแพทย์ ในสมัยก่อนโรคต่างๆของมนุษย์นั้น เช่นโรคลมชัก (epilepsy) ผู้คนต่างคิดกันว่าเป็นการลงโทษ ดลบัลดาลของเทพเจ้า แต่ฮิปพอคราทีสไม่เชื่อเช่นนั้น เขาเชื่อว่าโรคต่างๆเกิดจากสาเหตุทางธรรมชาติ สามารถเข้าใจได้ การรักษาโรคของเขามีการซักประวัติผู้ป่วย ค้นหาสาเหตุของโรคอย่างเป็นระบบ แม้เนื้อหาทฤษฎีการรักษาของเขาอาจจะมีความผิดพลาด แต่แนวคิดว่าโรคต่างๆของมนุษย์ไม่ได้เกิดจากเทพเจ้าดลบัลดาลแต่เกิดจากสาเหตุทางธรรมชาติ มีการพยายามค้นหาสาเหตุอย่างเป็นระเบียบแบบแผนนี้ นับเป็นก้าวสำคัญครั้งใหญ่ทางการแพทย์ของมนุษย์


          ในสมัยโบราณหลายร้อยปีหลังจากยุคของฮิปพอคราทีส ในบางโรคมนุษย์ก็ยังไม่ทราบแน่ชัดว่าสาเหตุของโรคเกิดจากอะไร ที่เป็นเช่นนี้เพราะเชื้อโรคมีขนาดเล็กมากไม่สามารถมองเห็นด้วยตาเปล่า มนุษย์ไม่รู้ว่าเชื้อโรคมีการแพร่ได้อย่างไร ทำให้การเกิดโรคระบาดในสมัยก่อนได้คร่าชีวิตมนุษย์ไปจำนวนมาก เช่น โรคระบาดยุสตินิอานุส (Plague of Justinian) ในศตวรรษที่ 6 หรือกาฬมรณะ (Black Plague) ในศตวรรษที่ 14 ซึ่งทำให้คนเสียชีวิตมากถึงประมาณ 100 ล้านคน โรคระบาดยุสตินิอานุสและกาฬมรณะต่างจากการแพร่ระบาดของ COVID-19 ในปัจจุบันที่มันไม่ได้เกิดจากเชื้อไวรัสแต่เกิดจากเชื้อแบททีเรียที่ชื่อ Yersinia pestis เป็นสาเหตุของกาฬโรค ซึ่งถ้ามันระบาดในปัจจุบันเราสามารถหยุดมันได้ด้วยยาปฏิชีวนะ โดยอาจไม่จำเป็นต้องใช้วัคซีน, สารที่ได้มาจากการทำให้เชื้อโรคอ่อนฤทธิ์หรือตายลง  จนไม่สามารถทำให้เกิดโรคได้ เพื่อจะฉีดเข้าไปในร่างกายให้สร้างภูมิคุ้มกันโรคนั้นๆ


          จนเมื่อวิทยาศาสตร์ทางการแพทย์พัฒนามากขึ้น นักวิทยาศาสตร์เริ่มมีแนวคิดทฤษฎีเชื้อโรค (Germ Theory) จากที่เราไม่ทราบว่าบางโรคนั้นเกิดขึ้นได้อย่างไร และมีการแพร่อย่างไร ในตอนช่วงกลางของศตวรรษที่ 19 ทฤษฎีเชื้อโรคช่วยไขปริศนานี้โดยบอกว่าโรคบางโรคนั้นเกิดจากสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กที่มองด้วยตาเปล่าไม่เห็นเข้าสู่ร่างกายของมนุษย์ทำให้เกิดโรค สิ่งเหล่านั้นคือจุลินทรีย์ (microorganism) หรือจุลชีพก่อโรค (pathogen) อื่นๆเช่นไวรัสเป็นต้น ทฤษฎีนี้ใช้อธิบายได้ดีและมีหลักฐานคือเมื่อเราส่องกล้องจุลทรรศน์ เราจะพบสิ่งมีชีวิตเหล่านี้


          แต่กล้องจุลทรรศน์ใช้แสงแบบเชิงประกอบ (compound light microscope) นั้นไม่สามารถส่องให้เห็นจุลชีพก่อโรคเช่นไวรัสได้ เพราะมีกำลังขยายไม่เพียงพอ กำลังขยายที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์ใช้แสงแบบเชิงประกอบคือผลคูณของกำลังขยายของเลนส์ใกล้วัตถุคูณกับกำลังขยายของเลนส์ใกล้ตา ซึ่งปรกติแล้วจะมีกำลังขยายประมาณ 1000 เท่า แต่ไวรัสมีขนาดเล็กมากในระดับนาโนเมตร ฉะนั้นในการตรวจหาจึงต้องพึ่งวิธีการอื่น


           ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์เริ่มทราบกันแล้วว่ามีสิ่งมีชีวิตที่มีขนาดเล็กกว่าแบททีเรีย แต่การสังเกตโดยตรงให้เห็นถึงภาพของไวรัสครั้งแรกนั้นต้องรออีกหลายสิบปีเพื่อให้การพัฒนากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (EM หรือ Electron microscope) สำเร็จ โดย Max Knoll และลูกศิษย์ของเขาซึ่งต่อมาเป็นนักฟิสิกส์ชื่อดังที่ชื่อ Ernst Ruska ประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสำเร็จครั้งแรกในปี ค.ศ. 1931 ซึ่งเป็นหัวข้อวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของ Ruska ปี ค.ศ. 1939 Ruska และทีมนักวิจัยของเขาสามารถถ่ายภาพไวรัสครั้งแรกได้สำเร็จโดยมันคือไวรัส tobacco mosaic (tobacco mosaic virus) ซึ่งผลงานเหล่านี้ทำให้ Ruska และนักวิทยาศาสตร์อีก 2 คน ได้รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1986 สำหรับการสร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (transmission electron microscope หรือ TEM) สำเร็จเป็นครั้งแรก

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านของ Ruska และคณะ
เครดิต https://en.wikipedia.org/wiki/Ernst_Ruska#/media/File:Ernst_Ruska_Electron_Microscope_-_Deutsches_Museum_-_Munich-edit.jpg
 

         
          เทคโนโลยีทางฟิสิกส์นี้เองมีส่วนช่วยให้วิทยาศาสตร์การแพทย์พัฒนาขึ้นมาก มีการค้นพบไวรัสที่ทำให้เกิดโรคใหม่ๆหลายโรค ทำให้นักวิจัยสามารถศึกษาโครงสร้าง ส่วนประกอบของไวรัสเพื่อหาวิธีการรักษาผู้ป่วยได้ ในปี ค.ศ. 1948 กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนช่วยให้นักวิจัยสามารถจำแนกไวรัสที่ทำให้เกิดโรคไข้ทรพิษ (smallpox) และโรคโรคอีสุกอีใส (chicken pox) นักวิจัยสามารถสังเกตโปลิโอไวรัสสาเหตุของโรคโปลิโอได้สำเร็จเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1952  จนมีการทำวัคซีนสำเร็จช่วยชีวิตมนุษย์ได้จำนวนมากมายมหาศาลในปี ค.ศ. 1955 เมื่อนักวิจัยสามารถรู้ว่ากำลังรับมืออยู่กับอะไรก็ทำให้สามารถหาทางรักษาได้อย่างถูกต้อง


          กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบ่งออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ คือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) โดยในทีนี้จะอธิบายหลักการทางฟิสิกส์อย่างคร่าวๆของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด

 

หลักการทำงานของของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด
เครดิต https://il.mahidol.ac.th/e-media/nano/Page/Unit4-5.html
 

         
          กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) เหมาะสำหรับการดูลักษณะพื้นผิวด้านนอกของเซลล์ต่างๆ เพราะภาพที่ได้นั้นจะเป็นภาพ 3 มิติ ในขณะที่กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านจะให้เป็นภาพ 2 มิติ กล้องจุลทรรศน์ชนิดนี้ให้กำลังขยายสูงสุดประมาณ 100 000 เท่า โดยเริ่มจากปืนอิเล็กตรอน (electron gun) ปล่อยอิเล็กตรอนออกมาเป็นกลุ่มจากนั้นจะถูกเร่งด้วยสนามไฟฟ้าแล้วผ่านไปยังเลนส์รวบรวมรังสี (condenser lens) ทำให้กลุ่มอิเล็กตรอนกลายเป็นลำอิเล็กตรอนซึ่งมีพลังงานตั้งแต่ประมาณ 0.2 keV ถึง 40 keV ผ่านต่อไปยังเลนส์ใกล้วัตถุ (objective lens) เพื่อปรับความยาวโฟกัสแล้วลงไปยังวัตถุที่เราต้องการสังเกต ลำอิเล็กตรอนถูกกราดลงบนชิ้นงานจะทำให้เกิดอิเล็กตรอนทุติยภูมิ (secondary electron) ขึ้น ซึ่งสัญญาณจากอิเล็กตรอนทุติยภูมินี้จะถูกบันทึกโดยเครื่องตรวจจับสัญญาณ (detector) และแปลงไปเป็นสัญญาณทางอิเล็กทรอกนิกส์และสุดท้ายถูกนำไปสร้างเป็นภาพบนจอภาพ ให้เราสังเกตเห็นเป็นภาพในรูปแบบ 3 มิติในที่สุด


          กำลังขยายของกล้องจุลทรรศน์นั้นถูกจำกัดให้มีค่าประมาณ ½ ของความยาวคลื่นของแหล่งการส่องสว่าง ตาของมนุษย์นั้นสามารถตรวจจับโฟตอนที่มีความยาวคลื่นสูงกว่าประมาณ 400 นาโนเมตร ดังนั้นกำลังขยายสูงสุดทางทฤษฎีของกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้แสงนั้นคือประมาณ 200 นาโนเมตร ในขณะที่กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนนั้นใช้อิเล็กตรอนที่ถูกเร่งความเร็วในการส่องสว่างอิเล็กตรอนนั้นมีความยาวคลื่นน้อยกว่าโฟตอนมาก โดยหลุยส์ เดอ เบรย (Louis de Broglie) ค้นพบว่าสสารนั้นสามารถแสดงคุณสบัติของคลื่นได้ (ปัจจุบันเราเรียกคุณสมบัตินี้ว่าคุณสมบัติทวิภาคของคลื่นและอนุภาค หรือ Matter and wave-particle duality) โดยสามารถเขียนสมการความสัมพันธ์ได้เป็น
 

         
           โดยที่ λ,h,p คือความยาวคลื่นของอนุภาค ค่าคงตัวของพลังค์ และโมเมนตัมของอนุภาคตามลำดับโดยเมื่อเรานำสมการนี้มาหาความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนจะพบว่าอิเล็กตรอนที่ 200 keV จะมีความยาวคลื่น 2.5 พิโกเมตร (สิบยกกำลังลบสิบสองเมตร) ในทางทฤษฎีแล้วทำให้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีกำลังขยายสูงกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงมาก แต่ในทางปฏิบัติติกำลังขยาของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนนั้นจะถูกจำกัดจากระบบเลนส์ใกล้วัตถุในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

 

โคโรนาไวรัสสายพันธุ์กลุ่มอาการทางเดินหายใจเฉียบพลันรุนแรง 2 หรือSARS-CoV-2 (สีเหลือง) เกาะอยู่บริเวณพื้นผิวของเซลล์มนุษย์ ถ่ายโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (ภาพมีการเพิ่มเติมสีด้วยเทคนิคพิเศษ)
เครดิต https://www.npr.org/2020/02/13/805837103/images-what-new-coronavirus-looks-like-under-the-microscope 
 

           
          นักวิจัยสามารถศึกษา สังเกตโคโรนาไวรัสสายพันธุ์กลุ่มอาการทางเดินหายใจเฉียบพลันรุนแรง 2 หรือSARS-CoV-2 ได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ซึ่งถูกรายงานครั้งแรกในเมืองอู่ฮั่น ประเทศจีนในปลายปี ค.ศ. 2019 โดยมันจัดเป็นไวรัสในกลุ่มเดียวกันกับที่ทำให้เกิดโรคทางเดินหายใจเฉียบพลันรุนแรงที่ไม่ทราบสาเหตุ (SARS) และโรคทางเดินหายใจตะวันออกกลาง (MERS) ในปัจจุบัน เดือนเมษายน ค.ศ. 2020 นักวิจัยทั่วโลกกำลังเร่งศึกษาไวรัส SARS-CoV-2 เพื่อหาทางผลิตวัคซีนเพื่อไว้ต่อสู้กับวิกฤตการแพร่ระบาดนี้ และหวังว่าเราจะค้นพบวิธีป้องกันและรักษามันได้ในที่สุด

บทความโดย
 

ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์
มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ
 

อ้างอิง