Identificazione dei lipidi: impronta chimica al posto del colorante
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Un team della Helmholtz di Monaco e dell'Università Tecnica di Monaco (TUM) ha sviluppato una nuova tecnica di microscopia in grado di distinguere le specie lipidiche nelle cellule viventi - in particolare il colesterolo e la sfingomielina - e di mapparle senza bisogno di etichettatura chimica. Combinando l'illuminazione a medio infrarosso con il rilevamento optoacustico, il metodo legge le impronte digitali spettrali naturali dei lipidi, eliminando la necessità di etichette fluorescenti specifiche, che sono laboriose da sviluppare e possono interferire con la funzione dei lipidi. Il team ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Nature Methods.
I lipidi sono elementi fondamentali delle membrane cellulari e aiutano a controllare il modo in cui le cellule trasmettono i segnali e trasportano le sostanze. Tuttavia, rilevare o visualizzare specifiche classi di lipidi nelle cellule viventi è una sfida. La microscopia a fluorescenza tradizionale richiede lo sviluppo di etichette fluorescenti personalizzate per ogni lipide - un processo lungo e costoso - e queste etichette possono talvolta influenzare la funzione del lipide, stressare le cellule o non riuscire a legarsi specificamente al bersaglio previsto.
La luce a medio infrarosso e gli ultrasuoni rendono visibili i lipidi senza etichette
Un team guidato dal Prof. Vasilis Ntziachristos, responsabile del Centro di Bioingegneria e direttore dell'Istituto di Imaging Biologico e Medico (IBMI) di Helmholtz Munich, nonché professore e direttore della cattedra di Imaging Biologico dell'Università Tecnica di Monaco, ha affrontato questa sfida sviluppando un nuovo metodo di microscopia chiamato microscopia optoacustica iperspettrale a medio infrarosso (HyFOPM), che rende visibili i lipidi senza etichette.
Il metodo illumina il campione con luce pulsata nel medio infrarosso a più lunghezze d'onda distinte, una cosiddetta illuminazione "iperspettrale". I lipidi assorbono bande specifiche di questa luce, producendo un piccolo e breve aumento di temperatura che genera onde ultrasonore. Queste onde vengono rilevate da trasduttori a ultrasuoni e convertite in un'immagine spettrale. L'analisi computazionale di questa immagine spettrale produce quindi mappe che mostrano la distribuzione dei diversi lipidi all'interno del campione.
"Il modello di assorbimento è caratteristico di diverse molecole e agisce come un'impronta digitale molecolare unica", spiega la dott.ssa Francesca Gasparin, scienziata dell'IBMI e della TUM e prima autrice dello studio. "Questa impronta digitale a medio infrarosso ci permette di distinguere i diversi lipidi senza bisogno di etichette esterne".
La regione dell'impronta digitale fa la differenza
Ciò che rende unico questo metodo è la lunghezza d'onda utilizzata. Molti approcci privi di etichette si basano su intervalli spettrali dominati dai legami presenti in un'ampia varietà di biomolecole, producendo segnali simili che rendono difficile distinguere le singole classi di lipidi.
Il team si concentra invece sulla cosiddetta regione delle impronte digitali, dove le caratteristiche di assorbimento derivano prevalentemente da modi vibrazionali altamente caratteristici della struttura molecolare di ciascun lipide. Ciò significa che il metodo è in grado di rilevare non solo gli elementi costitutivi di una molecola, ma anche la loro disposizione reciproca. Operando in questa regione, la tecnica è in grado di differenziare le specie lipidiche, anche quelle chimicamente simili come i glicerofosfolipidi e la sfingomielina.
Minimo stress per le cellule
Per verificare l'affidabilità di queste impronte chimiche, il team ha confrontato le proprie misurazioni con la spettroscopia infrarossa convenzionale, che è servita come riferimento. Sebbene il metodo tradizionale fornisca misure accurate di composti disciolti e goccioline di soluzione, non è adatto alle cellule viventi, che richiedono una preparazione speciale che può stressare le cellule.
La nuova tecnica di microscopia non solo ha riprodotto gli spettri lipidici previsti in soluzione, ma ha anche permesso di effettuare misurazioni direttamente nelle cellule viventi. "Un vantaggio fondamentale di HyFOPM è che l'osservazione dei lipidi senza etichetta comporta uno stress minimo per le cellule viventi", afferma Francesca Gasparin.
Prospettive: Dalla coltura cellulare alle applicazioni in prossimità del paziente
A lungo termine, i ricercatori vedono applicazioni in un'ampia gamma di ricerche sui lipidi, dalla scienza di base alle applicazioni mediche che finora sono state di difficile accesso.
"Essere in grado di tracciare e mappare le classi di lipidi nelle cellule viventi senza etichette apre nuove strade per comprendere i processi patologici e monitorare l'attività metabolica, non solo nelle cellule ma anche negli esseri umani", afferma il Prof. Vasilis Ntziachristos. "Il prossimo passo è accelerare il metodo e testarlo sistematicamente in sistemi cellulari complessi, per costruire conoscenze sullo sviluppo delle malattie e sull'azione dei farmaci. In definitiva, puntiamo a utilizzarlo nell'uomo per il monitoraggio continuo dei metaboliti, fornendo biomarcatori utilizzabili in un'ampia gamma di condizioni nell'ambito della sindrome cardiometabolica e non solo".
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Francesca Gasparin, Alexander Prebeck, Alice Soldà, Nasire Uluç, Sarah Glasl, Constantin Berger, Miguel A. Pleitez, Vasilis Ntziachristos; "Differentiation of sphingomyelin and cholesterol by hyperspectral mid-infrared detection of single-bond vibrational modes in the fingerprint region"; Nature Methods, 2026-3-30
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