Un innovativo sistema laser fa progredire il metodo di microscopia per rivelare mondi cellulari nascosti
Uno studio mostra come la tecnica di microscopia a due fotoni possa rendere visibili tessuti complessi a livello cellulare
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I ricercatori del Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), in collaborazione con partner internazionali, hanno sviluppato un nuovo sistema laser che potrebbe semplificare notevolmente la microscopia a due fotoni multicolore. La tecnologia si basa su un laser compatto a fibra ultraveloce e permette di visualizzare contemporaneamente diversi tipi di cellule o strutture, consentendo di studiare interazioni complesse all'interno dei tessuti. L'approccio potrebbe trovare applicazione anche nella ricerca medica. Il team, guidato da ricercatori del Centro medico universitario di Amburgo-Eppendorf (UKE) e del DESY, riporta i suoi risultati nella rivista Laser & Photonics Reviews.
Una piattaforma laser ottimizzata dal punto di vista computazionale crea tre colori di luce ultraveloce su misura (in alto), che vengono utilizzati per illuminare i tessuti biologici ed eccitare contemporaneamente diversi marcatori fluorescenti. Ogni colore evidenzia selettivamente un diverso tipo di struttura cellulare. Le immagini risultanti (in basso) rivelano neuroni densamente impacchettati, cellule gliali di supporto e nuclei cellulari, nonché strutture nel tessuto renale del topo, consentendo ai ricercatori di osservare come sono organizzati e interagiscono diversi tipi di cellule.
Marvin Edelmann, DESY
La microscopia a due fotoni è uno strumento importante nella moderna ricerca biomedica. Consente di ottenere viste tridimensionali ad alta risoluzione di tessuti e strutture cellulari. La tecnica diventa particolarmente potente quando è possibile visualizzare simultaneamente diversi componenti cellulari in colori diversi. In pratica, tuttavia, la cosiddetta microscopia a due fotoni multicolore è tecnicamente impegnativa, in quanto richiede più sistemi laser costosi, ciascuno dei quali produce luce di colore diverso.
Lo studio, guidato dal ricercatore del DESY Marvin Edelmann e dallo scienziato dell'UKE Andreu Matamoros-Angles, presenta un approccio che riduce significativamente questa complessità. Nel progetto interdisciplinare, i fisici laser del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) - un'istituzione congiunta del DESY, della Max Planck Society e dell'Università di Amburgo - hanno lavorato insieme ai ricercatori dell'Istituto di Neuropatologia dell'UKE e dell'Universitat de Vic - Universitat Central de Catalunya (UVic-UCC), che hanno contribuito alla preparazione dei campioni biologici e alle analisi. La collaborazione riflette uno sforzo più ampio del DESY per sviluppare tecnologie laser in stretta collaborazione con altri istituti di ricerca di Amburgo.
Invece di combinare diversi laser, il sistema utilizza una singola sorgente laser ultraveloce a fibre ottiche. Grazie a simulazioni mirate e a una configurazione ottica appositamente progettata, i ricercatori sono stati in grado di adattare con precisione lo spettro a banda larga degli impulsi laser, consentendo la generazione simultanea di colori di eccitazione multipli e ben definiti da un'unica sorgente per colpire selettivamente diverse strutture e dinamiche biologiche.
"Il sistema laser si basa su un laser a fibra singola il cui spettro viene ampliato grazie a una fibra di cristallo fotonico appositamente progettata. Il progresso chiave è che possiamo usare simulazioni al computer per prevedere esattamente i colori che la fibra genererà. Questo rende il sistema riproducibile e pratico", afferma Marvin Edelmann, primo autore dello studio e ricercatore di dottorato presso il DESY e la Max Planck School of Photonics. "Questo lavoro dimostra come sia possibile utilizzare simulazioni mirate per sviluppare una sorgente laser compatta ed economica a impulsi brevi per la microscopia a due fotoni multicolore", aggiunge Mikhail Pergament, leader del team laser del gruppo Ultrafast Optics and X-rays (UFOX) del DESY.
La sorgente laser genera tre impulsi ultracorti separati spettralmente a circa 960, 1080 e 1175 nanometri, lunghezze d'onda particolarmente adatte a eccitare i marcatori fluorescenti comunemente utilizzati. Per testare il sistema, i ricercatori hanno esaminato campioni di tessuto triplo marcato provenienti da cervello, rene e fegato di topo. Utilizzando la microscopia a due fotoni multicolore, è stato possibile visualizzare contemporaneamente diverse strutture cellulari, tra cui reti neuronali, astrociti, nuclei cellulari, vasi sanguigni e fibre nervose.
"Sorgenti laser compatte come questa renderanno la microscopia multifotone multicolore molto più accessibile", afferma Franz X. Kärtner, capo del gruppo UFOX al DESY e professore di fisica all'Università di Amburgo, dove è stato condotto lo studio. Markus Glatzel, professore e direttore dell'Istituto di neuropatologia dell'UKE, aggiunge: "Questa tecnologia consentirà ai ricercatori di studiare processi biologici complessi che coinvolgono più tipi di cellule interagenti, ad esempio nel cervello o nel tessuto tumorale. A lungo termine, potrebbe aiutarci a comprendere meglio i meccanismi delle malattie e ad aprire nuove strade per la diagnosi e la terapia. Questi approcci interdisciplinari aprono anche nuove possibilità per le indagini neuropatologiche risolte nel tempo, che dipendono in modo critico dai progressi della tecnologia laser".
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