Lightsheet Brillouin Nanoscopy: mechano-sensitive superresolution imaging for regenerative medicine

Descrizione del progetto

Un microscopio meccano-sensibile a più alta risoluzione per la medicina rigenerativa

Sebbene i progressi compiuti nel campo della microscopia abbiano migliorato le capacità di immaginografia, spesso trascurano le proprietà meccaniche. La microscopia meccano-sensibile ha rivelato che la rigidità e la viscoelasticità a livello locale svolgono ruoli di importanza cruciale nello sviluppo cellulare, il che solleva importanti interrogativi sui processi di differenziazione e sull’ottimizzazione della crescita artificiale dei tessuti nella medicina rigenerativa, mettendo alla luce le limitazioni degli strumenti attualmente a disposizione. Il progetto LiBriNa, finanziato dal CER, si propone di rispondere a questi problemi sviluppando una tecnica di microscopia priva di etichette in grado di effettuare l’immaginografia della viscoelasticità a una risoluzione sub-diffusionale nei tessuti cardiaci viventi, garantendo velocità di acquisizione di gran lunga superiori a quelle offerte dai metodi esistenti. L’innovazione concepita dal progetto si basa su un nuovo elemento ottico per l’imaging iperspettrale rapido ad alta sensibilità. Integrando i progressi realizzati in ambito di nanoscopia, imaging a fogli luminosi e diffusione Brillouin, si prevede che la nanoscopia Brillouin a fogli luminosi (LiBriNa, Lightsheet Brillouin Nanoscopy) diventerà il microscopio meccano-sensibile più veloce e a più alta risoluzione esistente.

Obiettivo

Better microscopes have always triggered scientific discovery. Lightsheet microscopy and nanoscopy are no exception and have initiated knowledge jumps in structural and dynamical imaging. However, they do not inform us on mechanical properties. The domain of mechano-sensitive microscopy is still in its infancy yet has already unveiled a stark dependence of cellular development on local stiffness and viscoelasticity. For instance, coordinated strain on the sub-millimetre scale is a key ingredient to grow induced pluripotent stem stells into a beating adult cardiac muscle; without such an environment, a twitching heap of cardiomyocytes develops instead. What are the processes within cells that cause this forked differentiation? How can we optimise the growth of artificial tissue in regenerative medicine? Given the dynamics and 3D nature of the problem, paired with the requirement of sub-cellular resolution, one must conclude that our current instrumentation is not up to the task. Thus, this project aims to develop a label-free microscopy technique that can image viscoelasticity at unprecedented sub-diffraction resolution inside living, differentiating cardiac tissues at order-of-magnitude faster acquisition speeds than previously possible. This will be made possible by a completely new type of optical element that allows snap-shot hyperspectral imaging at unparalleled speed and sensitivity. Transforming latest innovations within nanoscopy and lightsheet imaging and using Brillouin scattering as a proxy for viscoelastic tissue properties on the microscale, Lightsheet Brillouin Nanoscopy (LiBriNa), will be the fastest, most gentle, and highest resolution mechanosensitive microscope ever built. Besides being an enabler technology for cellular biology and regenerative medicine, the project will explore new principles in label-free nanoscopy methodology and initiate innovation jumps in optical instrumentation.