Skip to main content

Article Category

Article available in the folowing languages:

Le innovazioni nel campo della microscopia rivelano proprietà biologiche mai osservate in precedenza

I microscopi sono fondamentali per scienziati e medici al fine di affrontare malattie quali la Covid-19, ma nonostante i progressi compiuti la maggior parte di essi conserva limitazioni nella risoluzione dell’immagine. NanoChemBioVision ha sviluppato tecniche per incrementarne la potenza.

Salute

La microscopia convenzionale è limitata dal funzionamento delle onde luminose: quando la luce colpisce una superficie viene diffratta o piegata e questo significa che può essere focalizzata solo su un punto finito. Per i microscopi ottici più potenti, questo punto ha un diametro corrispondente a circa la metà della lunghezza d’onda della luce visibile, inferiore a 200 nanometri. Il progetto NanoChemBioVision, supportato dal Consiglio europeo della ricerca, ha sviluppato due metodi per raggiungere un’altissima risoluzione oltre questo limite di diffrazione. «Entrambi i metodi raggiungono in modo unico una super-risoluzione senza marcature fluorescenti che colorano, colpiscono o modificano geneticamente i campioni», spiega il coordinatore del progetto Sumeet Mahajan dell’Università di Southampton, che ospita il progetto. «Le applicazioni biomediche potrebbero migliorare significativamente la salute pubblica. Ad esempio, questi metodi potrebbero fornire l’imaging di particelle virali, tra cui quelle del SARS-CoV-2, e fornire al riguardo informazioni su composizione e struttura chimica, coadiuvando gli sforzi per combattere la malattia». Finora, al progetto è stato concesso un brevetto e un altro è in sospeso.

Dettaglio subcellulare label-free

Negli ultimi 20 anni, abbiamo assistito a una rivoluzione nell’imaging biologico a seguito della scoperta della proteina fluorescente verde e dell’invenzione di metodi ottici a fluorescenza dotati di super risoluzione. I professionisti delle scienze naturali possono ora produrre immagini delle caratteristiche cellulari a un livello di dettaglio mai raggiunto in precedenza. Tuttavia, queste marcature fluorescenti compromettono l’imaging di alcune funzioni e caratteristiche. L’imaging vibrazionale offre una soluzione label-free, che fornisce nel contempo ulteriori informazioni chimiche e strutturali. Tutte le molecole vibrano in modi specifici, fornendo così «impronte» molecolari. NanoChemBioVision si è avvalso della spettroscopia infrarossa e della spettroscopia Raman per la lettura di tali impronte. Inoltre, il team ha studiato un’altra tecnica label-free di generazione armonica e con fluorescenza a due fotoni, in cui vengono combinati due fotoni per fornire l’imaging ottico di specifiche strutture e molecole. NanoChemBioVision ha applicato queste tecniche label-free ai metodi di super oscillazione e di nanojet fotonico. Il primo metodo forma il fascio di luce che si propaga modulandolo in intensità e tempo per ottenere un punto di luce molto piccolo per l’imaging. Il secondo si avvale dell’effetto di microsfere su un fascio di luce. Le microsfere, composte da un materiale più denso del mezzo, concentrano la luce fino a un punto di dimensioni nanometriche. Varie simulazioni hanno applicato la super-oscillazione ai microscopi a fotone singolo o multifotone standard, per impostare i parametri ottimali per la modulazione della luce e ciò ha prodotto un miglioramento tra il 30 % e il 70 % nella risoluzione limitata dalla diffrazione. Ad esempio, le super oscillazioni abbinate alla fluorescenza a due fotoni ha fornito l’imaging di nanoparticelle d’oro, raggiungendo una risoluzione al di là del loro limite di diffrazione. La tecnica di generazione di seconda armonica, assistita da nanojet fotonico, è stata applicata ai campioni biologici, quali le fibre di collagene nei tessuti murini, restituendo un dettaglio senza precedenti. È stata dimostrata una risoluzione inferiore a 125 nanometri, 2,3 volte migliore rispetto all’imaging limitato dalla diffrazione. Inoltre, questa tecnica ha diagnosticato malattie polmonari mediante l’imaging di campioni di fibrosi polmonare idiopatica. Sono state osservate variazioni del collagene su nanoscala, invisibili per l’imaging limitato dalla diffrazione, e la tecnica ha differenziato in modo chiaro i campioni trattati con farmaci o fattori di crescita dai campioni sani. «Ciò offre nuove possibilità per l’imaging a super risoluzione di tessuti e cellule che, oltre a essere label-free, acquisisce contemporaneamente anche informazioni chimiche e strutturali impossibili da ottenere in precedenza», afferma Mahajan. Il team ora sta lavorando con i partner presso il Centro di ricerca optoelettronica di Southampton allo sviluppo di metodi per ridurre costi e dimensioni dei sistemi laser necessari per l’imaging multifotonico. I ricercatori stanno inoltre aumentando la sensibilità del sistema ed espandendo le sue capacità per una gamma versatile di tessuti, cellule, malattie e patologie. Inoltre, essi stanno incrementando la profondità di penetrazione delle tecniche per consentire l’imaging ad altissima risoluzione di strati di tessuto più profondi.

Parole chiave

NanoChemBioVision, microscopi, microscopia, imaging, fotoni, nanotecnologie, Covid, risoluzione, oscillazione, diffrazione, label-free, luce

Scopri altri articoli nello stesso settore di applicazione