Microscopia a ultrasuoni: un nuovo modo per studiare le cellule

Chiunque si sia sottoposto a un’ecografia sa che gli ultrasuoni sono un sistema non invasivo e sicuro per studiare organi e cavità del corpo. Così sicuro che l’ecografia è da anni il test più usato per seguire lo sviluppo del feto durante la gravidanza. Nonostante l’utilizzo diffuso degli ultrasuoni per fini diagnostici, le potenzialità di questa tecnologia potrebbero non essere ancora state sfruttate appieno. Oltre alle indagini anatomiche, perché non sfruttare gli ultrasuoni per immagini microscopiche di un tessuto o una cellula? Un gruppo di ricercatori dell’Università di Nottingham ha sviluppato una nuova tecnica che, anziché onde luminose, impiega le onde acustiche degli ultrasuoni. Il livello di risoluzione ottenuto è tale da rendere questa tecnologia un degno avversario anche della migliore microscopia ottica di avanguardia.

Retina di topo al microscopio: come le cellule in questa immagine, i campioni “fissati” possono essere solo osservati, ma non possono essere usati per altri studi o per trapianti (Immagine: Pixabay)

 

Osservare la vita di una cellula

Il mondo della microscopia è ricco di strumenti in grado di fornire le informazioni più svariate sulla struttura e gli organuli di una cellula. Tuttavia, per quanto siano state perfezionate nel corso degli anni, queste tecniche ancora non permettono di studiare la vita delle cellule in tempo reale.

La maggior parte delle tecniche di microscopia prevede infatti che le cellule vengano “fissate” con specifiche sostanze prima di poterle osservare al microscopio. In altre parole, per capire come una cellula svolge una determinata funzione, è necessario immobilizzarla in quello specifico stato: mentre si divide, mentre è in fase di accrescimento, mentre si muove. Questo sistema ha però limiti evidenti: se da un’automobile in corsa scattiamo una fotografia a una persona per strada, quell’istantanea ci restituirà informazioni su quella persona solo in quel preciso istante, ma potrà dirci ben poco su dove si trovava pochi minuti prima, su cosa indossava la mattina precedente o sul ristorante in cui cenerà quella sera. Per saperlo, dovremmo seguire quella persona con una telecamera. E non per uno o due minuti, ma per tutta la giornata.

Poter osservare le funzioni e le dinamiche cellulari in real-time è un cruccio di vecchia data per tutti i biologi cellulari, impegnati nei più svarianti campi di indagine. Capire come funzionano gli organuli di una cellula tumorale; indagare gli effetti di un nuovo farmaco sul metabolismo; osservare minuto dopo minuto come l’espressione di un certo gene o il contatto con un virus modifica il funzionamento di una cellula: i ricercatori impegnati in questi campi d’indagine hanno un disperato bisogno di osservare la reazione delle cellule in tempo reale, bloccandole per diversi minuti sotto la lente di un microscopio.

Le tecniche di imaging sviluppate negli ultimi anni hanno permesso di fare passi da gigante in questo settore, ma i gli ostacoli sono ancora molti. Non importa di quanta pazienza si sia armato lo scienziato prima di sedersi al microscopio: il limite è la “resistenza” delle cellule. Se pensiamo al principio di Ernst Abbe – in base al quale il potere di risoluzione di un microscopio è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda della luce impiegata – ci rendiamo immediatamente conto che siamo di fronte a un serpente che si morde la coda. Se vogliamo ottenere un’immagine ad alta risoluzione che mostri il campione nei minimi dettagli, dobbiamo colpire le cellule con una luce a bassa lunghezza d’onda e, quindi, ad alta energia. Il risultato è che, al passare del tempo, il fascio di luce danneggia le cellule e rischia di creare pericolosi artefatti sperimentali, come avviene quando si utilizza la luce UV per la microscopia a fluorescenza (per un riepilogo delle tecniche di microscopia consulta questa pagina dell’Aula di Scienze). Senza parlare del fatto che le cellule perdono di vitalità e con grande difficoltà possono essere poi impiegate per ulteriori analisi o per trapianti, come nel caso degli studi su cellule staminali.

 

“Guardare” con gli ultrasuoni

La soluzione a questo problema di vecchia data potrebbe venire dagli ultrasuoni.
Gli ingegneri dell’Università di Nottingham hanno perfezionato la tecnica alla base delle comuni ecografie al punto da permettere di ottenere immagini ad alta risoluzione delle strutture interne di una cellula viva.

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Un’immagine di cellule in coltura ottenuta con la microscpia a ultrasuoni (Pérez-Cota F. et al. Scientific Reports, 2016)

 

A differenza di quanto avviene con la luce, le onde sonore non sono associate ad alte quantità di energia. Questo ha permesso ai ricercatori di sfruttare onde sonore a bassa lunghezza d’onda – e in grado, quindi, di catturare dettagli molto piccoli – senza dover investire il campione con un carico eccessivo di energia – superiore a quello che una cellula viva può tollerare – e senza dover ricorrere all’uso di sostanze tossiche.

 

Dalle ecografie alla medicina rigenerativa

La tecnologia degli ultrasuoni ha tutte le carte in regola per adattarsi a innumerevoli applicazioni future, in grado di superare anche i successi della microscopia a super risoluzione, che nel 2014 ha ottenuto il riconoscimento del premio Nobel per la Chimica.
L’alta risoluzione della microscopia a ultrasuoni favorirebbe la diagnosi precoce di alcuni tumori, permettendo di agire in modo più tempestivo. Nel campo delle terapia genica, cellule staminali modificate in vitro potrebbero essere studiate in dettaglio, ma senza venire “strapazzate”, prima di essere trapiantate in un individuo: questo garantirebbe non solo un maggior livello di sicurezza nel selezionare le cellule da trapiantare, ma anche una maggiore probabilità di successo del trapianto.

 

Immagine box e banner: University of Nottingham

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