L’imaging metabolico è un metodo non invasivo che consente a medici e scienziati di studiare le cellule viventi utilizzando la luce laser, che può aiutarli a valutare la progressione della malattia e le risposte al trattamento.
Ma la luce si disperde quando colpisce il tessuto biologico, limitando la profondità in cui può penetrare e ostacolando la risoluzione delle immagini catturate.
Ora, i ricercatori del MIT hanno sviluppato una nuova tecnica che più che raddoppia il consueto limite di profondità dell’imaging metabolico. Il loro metodo aumenta anche la velocità di imaging, producendo immagini più ricche e dettagliate.
Questa nuova tecnica non richiede la prelavorazione del tessuto, ad esempio tagliandolo o colorandolo con coloranti. Invece, un laser specializzato illumina in profondità il tessuto, facendo sì che alcune molecole intrinseche all’interno delle cellule e dei tessuti emettano luce. Ciò elimina la necessità di alterare il tessuto, fornendo una rappresentazione più naturale e accurata della sua struttura e funzione.
I ricercatori hanno ottenuto questo risultato personalizzando in modo adattivo la luce laser per i tessuti profondi. Utilizzando un modellatore di fibre recentemente sviluppato – un dispositivo che controllano piegandolo – possono regolare il colore e gli impulsi della luce per ridurre al minimo la dispersione e massimizzare il segnale mentre la luce viaggia più in profondità nel tessuto. Ciò consente loro di vedere molto più lontano nei tessuti viventi e di catturare immagini più chiare.
Una maggiore profondità di penetrazione, velocità più elevate e una risoluzione più elevata rendono questo metodo particolarmente adatto per applicazioni di imaging impegnative come la ricerca sul cancro, l’ingegneria dei tessuti, la scoperta di farmaci e lo studio delle risposte immunitarie.
“Questo lavoro mostra un miglioramento significativo in termini di penetrazione in profondità per l’imaging metabolico senza etichetta. Apre nuove strade per lo studio e l’esplorazione delle dinamiche metaboliche in profondità nei biosistemi viventi”, afferma Sixian You, assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS), membro del Laboratorio di ricerca per l’elettronica e autore senior di un articolo su questa tecnica di imaging.
A lei si unisce l’autore principale Kunzan Liu, uno studente laureato EECS; Tong Qiu, un postdoc del MIT; Honghao Cao, uno studente laureato EECS; Fan Wang, professore di scienze del cervello e cognitive; Roger Kamm, illustre professore di ingegneria biologica e meccanica di Cecil e Ida Green; Linda Griffith, docente di Innovazione didattica presso il Dipartimento di Ingegneria Biologica della Scuola di Ingegneria; e altri colleghi del MIT. La ricerca apparirà in Progressi della scienza.
Focalizzato sul laser
Questo nuovo metodo rientra nella categoria dell’imaging senza etichetta, il che significa che il tessuto non viene colorato in anticipo. La colorazione crea un contrasto che aiuta il biologo clinico a vedere meglio i nuclei cellulari e le proteine. Ma la colorazione in genere richiede che il biologo seziona e affetta il campione, un processo che spesso uccide il tessuto e rende impossibile studiare i processi dinamici nelle cellule viventi.
Nelle tecniche di imaging senza etichetta, i ricercatori utilizzano i laser per illuminare specifiche molecole all’interno delle cellule, facendole emettere luce di diversi colori che rivelano vari contenuti molecolari e strutture cellulari. Tuttavia, generare la luce laser ideale con determinate lunghezze d’onda e impulsi di alta qualità per l’imaging dei tessuti profondi è stato impegnativo.
I ricercatori hanno sviluppato un nuovo approccio per superare questa limitazione. Usano una fibra multimodale, un tipo di fibra ottica che può trasportare una quantità significativa di potenza, e potrebbe accoppiarla con un dispositivo compatto chiamato “fiber shaper”. Questo modellatore consente loro di modulare con precisione la propagazione della luce modificando in modo adattivo la forma della fibra. Piegando la fibra si modifica il colore e l’intensità del laser.
Basandosi sul lavoro precedente, i ricercatori hanno adattato la prima versione del modellatore di fibre per un imaging metabolico multimodale più profondo.
“Vogliamo incanalare tutta questa energia nei colori di cui abbiamo bisogno con le proprietà di impulso di cui abbiamo bisogno. Questo ci offre una maggiore efficienza di generazione e un’immagine più chiara, anche in profondità nei tessuti”, afferma Cao.
Una volta costruito il meccanismo controllabile, hanno sviluppato una piattaforma di imaging per sfruttare la potente sorgente laser per generare lunghezze d’onda della luce più lunghe, fondamentali per una penetrazione più profonda nei tessuti biologici.
“Crediamo che questa tecnologia abbia il potenziale per far avanzare in modo significativo la ricerca biologica. Rendendola conveniente e accessibile ai laboratori di biologia, speriamo di fornire agli scienziati un potente strumento per la scoperta”, afferma Liu.
Applicazioni dinamiche
Quando i ricercatori hanno testato il loro dispositivo di imaging, la luce è stata in grado di penetrare più di 700 micrometri in un campione biologico, mentre le migliori tecniche precedenti potevano raggiungere solo circa 200 micrometri.
“Con questo nuovo tipo di imaging profondo, vogliamo osservare i campioni biologici e vedere qualcosa che non abbiamo mai visto prima”, aggiunge Liu.
La tecnica di imaging profondo ha permesso loro di vedere le cellule a più livelli all’interno di un sistema vivente, il che potrebbe aiutare i ricercatori a studiare i cambiamenti metabolici che avvengono a diverse profondità. Inoltre, la maggiore velocità di imaging consente loro di raccogliere informazioni più dettagliate su come il metabolismo di una cellula influenza la velocità e la direzione dei suoi movimenti.
Questo nuovo metodo di imaging potrebbe offrire una spinta allo studio degli organoidi, che sono cellule ingegnerizzate che possono crescere per imitare la struttura e la funzione degli organi. I ricercatori dei laboratori Kamm e Griffith sono pionieri nello sviluppo di organoidi cerebrali ed endometriali che possono crescere come organi per la valutazione della malattia e del trattamento.
Tuttavia, è stato difficile osservare con precisione gli sviluppi interni senza tagliare o macchiare il tessuto, cosa che uccide il campione.
Questa nuova tecnica di imaging consente ai ricercatori di monitorare in modo non invasivo gli stati metabolici all’interno di un organoide vivente mentre continua a crescere.
Tenendo presenti queste e altre applicazioni biomediche, i ricercatori intendono puntare a immagini con una risoluzione ancora più elevata. Allo stesso tempo, stanno lavorando per creare sorgenti laser a basso rumore, che potrebbero consentire immagini più profonde con un dosaggio minore di luce.
Stanno inoltre sviluppando algoritmi che reagiscono alle immagini per ricostruire le strutture 3D complete dei campioni biologici in alta risoluzione.
A lungo termine, sperano di applicare questa tecnica nel mondo reale per aiutare i biologi a monitorare la risposta ai farmaci in tempo reale per favorire lo sviluppo di nuovi farmaci.
“Consentendo l’imaging metabolico multimodale che arriva più in profondità nei tessuti, stiamo fornendo agli scienziati una capacità senza precedenti di osservare i sistemi biologici non trasparenti nel loro stato naturale. Siamo entusiasti di collaborare con medici, biologi e bioingegneri per ampliare i confini di questo tecnologia e trasformare queste conoscenze in scoperte mediche reali,” dice You.
Questa ricerca è finanziata, in parte, dai fondi di avvio del MIT, da un premio CAREER della US National Science Foundation, da una borsa di studio presidenziale Irwin Jacobs e Joan Klein del MIT e da una borsa di studio del MIT Kailath.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
