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Laser minuscoli all’interno di cellule fanno progredire l’imaging nella ricerca biomedica

Lo studio dei processi cellulari comporta spesso l’uso di coloranti fluorescenti come sonde di imaging per il monitoraggio del destino cellulare. Alcuni ricercatori europei hanno sviluppato una sorgente luminosa completamente nuova, basata sul laser, per tracciare le singole cellule.

Ricerca di base
Salute

Seguire l’azione delle cellule all’interno del corpo può fornire risposte a molti quesiti biomedici quali l’invasione delle cellule tumorali e la metastasi. Tuttavia, gli approcci di marcatura cellulare esistenti possono sia discriminare un numero limitato di cellule diverse sia richiedere una lettura distruttiva, uccidendo la cellula durante il processo.

Perle laser che emettono su una frequenza unica

I ricercatori del progetto ABLASE, finanziato dal CER, hanno sviluppato laser minuscoli, alcuni con dimensioni inferiori al volume di un nucleo cellulare, che possono essere inseriti in modo efficiente all’interno delle cellule. «Il nostro obiettivo era marcare le cellule in maniera univoca, così da non interferire con le loro proprietà o il loro comportamento», spiega Malte Gather, beneficiario e ricercatore principale del CER nonché professore presso l’Università di St. Andrews. Questi micro-laser sono costituiti da dischi a semiconduttore o perle biocompatibili con un colorante fluorescente verde. Se stimolate con la luce emettono luce laser caratterizzata da una composizione unica di diversi picchi a banda stretta a seconda delle dimensioni della perla. Introducendo perle di dimensioni diverse, gli scienziati generano modelli di emissione che possono essere utilizzati per distinguere con sicurezza ogni laser, proprio come i codici a barre vengono utilizzati per identificare e tracciare i pacchi. Utilizzando un metodo di biologia molecolare tradizionalmente sfruttato per trasferire il DNA estraneo nelle cellule, i ricercatori di ABLASE sono stati in grado di incorporare i laser in vari tipi di cellule come quelle coinvolte nelle risposte immunitarie. Questa metodologia consente di incorporare perle laser all’interno di decine di migliaia di cellule contemporaneamente. Il team ha quindi studiato l’energia richiesta da questi laser per iniziare a funzionare, le loro dimensioni, la stabilità e la biocompatibilità. Per gli ultimi progetti laser del team, l’emissione laser inizia a livelli minuscoli di luce di eccitazione, inferiore rispetto alle energie che i biologi usano in molti microscopi ottici moderni, con conseguente riduzione al minimo dell’impatto sulle cellule. I laser cellulari hanno anche dimostrato la capacità di rimanere stabili e all’interno delle cellule durante vari processi cellulari. Curiosamente, le cellule trasferiscono i laser alla loro progenie senza alcun evidente impatto sulle funzioni fondamentali delle cellule, agevolandone il monitoraggio per molte generazioni. Inserendo più laser nelle cellule madri, l’approccio di ABLASE può seguire tutte le progenie di una cellula e anche marcare in modo univoco più cellule rispetto a quanto si pensasse in precedenza.

Significato della ricerca e prospettive future

Le attività del progetto ABLASE hanno promosso l’uso dei laser a singola cellula nella ricerca biomedica con la prospettiva di ottenere informazioni sui processi biologici fondamentali, tra cui le modalità di migrazione delle cellule all’interno del corpo. «L’uso di laser a singola cellula è un concetto nuovo, pertanto ABLASE è partito da un lavoro di verifica concettuale, dalla ricerca e sviluppo di base, nonché dai primi passi verso le applicazioni», sottolinea Gather. I progetti futuri includono un’ulteriore miniaturizzazione dei laser per renderne ancora più facile l’inserimento nelle cellule e un processo di fabbricazione laser a rendimento superiore. Inoltre, i ricercatori di ABLASE sperano di testare i laser in vivo e di estenderne le applicazioni migliorandone le prestazioni e facendoli rispondere ai cambiamenti nei marcatori biologici all’interno della cellula. Indubbiamente, i laser a cellula singola richiedono una serie di ulteriori miglioramenti tecnologici per essere pienamente applicabili. Tuttavia hanno un immenso potenziale nelle applicazioni di marcatura cellulare e possono essere utilizzati per il rilevamento all’interno di cellule e tessuti viventi. Dall’avvio di ABLASE, altri gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno dato un contributo significativo al campo emergente dei laser a cella singola, rafforzandone il potenziale di sviluppo.

Parole chiave

ABLASE, laser, perla, tracciamento cellulare, laser a cellula singola

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