Una svolta nell’imaging tomografico veloce porta la microscopia tradizionale a un nuovo livello
L’imaging in 3D è diventato uno strumento necessario, specialmente per la ricerca che ha bisogno di un imaging dinamico di processi biologici in vivo. Per soddisfare questa esigenza i laboratori biologici e preclinici si sono serviti di innovazioni tomografiche come la tomografia molecolare in fluorescenza (FMT) per l’imaging in mezzi ad alta dispersione, e la tomografia a proiezioni ottiche (OPT) e la microscopia a illuminazione selettiva di piano (SPIM) per l’imaging in campioni a bassa dispersione. Anche se efficaci però questi strumenti mancano di rendimento e dell’abilità di elaborare campioni simultaneamente. La Borsa Marie Curie di integrazione per la carriera (CIG), finanziata dall’UE, ha aiutato il progetto HIGH THROUGHPUT TOMO a superare questo ostacolo, permettendo la creazione di una serie di strumenti che sono riusciti a ottenere imaging ottico e analisi dei dati molto veloci. Oltre a offrire una serie di soluzioni, il progetto, coordinato dal prof. Manuel Desco e ospitato dall’Universidad Carlos III de Madrid, si è concentrato in particolare sullo sviluppo di una tomografia veloce in microscopia. Ottenere un imaging in time-lapse 3D della vita – proprio mentre si svolge L’imaging tradizionale basato sulla scansione usa motori per muovere i campioni, il che richiede moltissimo tempo. Per elaborare 200 immagini per esempio possono volerci 200 secondi. Riassumendo il risultato principale del progetto HIGH THROUGHPUT TOMO, il dott. Jorge Ripoll, titolare di una CIG Marie Curie, Dice: “Abbiamo ottimizzato le impostazioni di hardware e software per ridurre il bisogno di movimenti con motore, sostituendoli con scansione a raggio di luce e lenti regolabili con una risposta veloce – nell’ordine di 10 ms. Questo ha ridotto il tempo di ogni scansione di un fattore di 100, richiedendo 2 secondi per ottenere le stesse 200 immagini, invece di 200 secondi.” Al momento, praticamente tutte le misurazioni di imaging in vivo che usano organismi modello come il danio zebrato o il moscerino della frutta, si basano sull’imaging di un unico esemplare. Questo comporta gravi limitazioni, come spiega il dott. Ripoll, “Per ottenere risultati validi dal punto di vista scientifico abbiamo dovuto ripetere tali misurazioni su grandi popolazioni, moltiplicando il tempo necessario per un unico esemplare per il numero di misurazioni necessarie. Oltre ai tempi necessari che sono molto lunghi, è difficile mantenere le stesse condizioni e per questo spesso le misurazioni devono essere scartate.” La svolta del team, insieme ad alcuni cambiamenti geometrici fondamentali nel setup dell’imaging ottico, permettono agli scienziati di effettuare imaging di diversi esemplari contemporaneamente. Il dott. Ripoll cita l’imaging in-vivo effettuato dal team dello sviluppo di 13 moscerini della frutta contemporaneamente, come prova di concetto. Il dott. Ripoll spiega: “Essere in grado di analizzare questi dati e vedere realmente in 3D il modo in cui un organismo complesso si sviluppa è molto eccitante e porta la microscopia tradizionale a un livello tutto nuovo.” Determinante è il fatto che la velocità può essere ulteriormente ridotta per volumi più piccoli, permettendo l’imaging di 10 volumi completi in un secondo. L’implicazione pratica di ciò è che processi veloci come il cuore che batte del danio zebrato, che non potevano essere rappresentanti in condizioni normali, adesso possono essere registrati in 3D e a rallentatore. Dall’osservazione alla manipolazione, a vantaggio della salute Permettere l’imaging a 3D di campioni grandi, come iteri organi, in modo veloce ed efficiente, promette di avere un impatto sulla ricerca nel settore della salute. Secondo il dott. Ripoll, “Questi nuovi approcci saranno un mezzo per studiare l’espressione genetica e la funzione molecolare a livello cellulare perché ci permetteranno di osservare l’organo nel suo insieme, invece di sezioni dello stesso, e di ottenere informazioni complementari prima inaccessibili.” La tecnologia permette anche di seguire in 3D, il destino di singole cellule, il che offre nuovi modi per capire la biologia molecolare di base che potrebbero avere implicazioni dirette per la salute umana. Per mettere a disposizione questa tecnologia, il dott. Ripoll ha co-finanziato www.4dnature.eu (4D-Nature Imaging Consulting), una spin-off basata sui brevetti ottenuti nel corso di questo progetto. Per il team il prossimo passo è andare oltre l’osservazione passiva di un volume tridimensionale influenzando realmente quello che sta avvenendo a livello cellulare. Questo avrà implicazioni che vanno oltre gli studi in vivo su organismi modelli verso processi veloci più generali che avvengono in 3D, che potranno essere controllati con una risoluzione con voxel al di sotto del micron.
Parole chiave
HIGH THROUGHPUT TOMO, tomografia ottica, imaging 3D, microscopia, scannerizzazione a fascio di luce, lenti regolabili, in-vivo, controllo cellulare, espressione genetica
