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Una nuova tecnica di microscopia a fluorescenza che genera immagini a super-risoluzione da una singola esposizione della telecamera potrebbe aiutare i ricercatori a studiare i movimenti rapidi all’interno delle cellule difficili da catturare con i metodi esistenti.
La microscopia a super-risoluzione ha trasformato la biologia cellulare permettendo agli scienziati di vedere strutture e dettagli cellulari troppo piccoli per essere visualizzati chiaramente con microscopi luci convenzionali.
Alcuni metodi raggiungono super-risoluzione combinando informazioni provenienti da centinaia o migliaia di fotogrammi scattati nel tempo.
Tuttavia, questo funziona meglio quando campioni biologici come cellule o tessuti sono stati fissati o conservati con sostanze chimiche.
Altrimenti, strutture come mitocondri, microtubuli e DNA – che sono costantemente in movimento, cambiano e interagiscono – appaiono sfocate usando tecniche di super-risoluzione esistenti.
Ora, i ricercatori guidati da Aleksandra Radenovic nel Laboratorio di Biologia Nanoscala (LBEN) della Scuola di Ingegneria dell’EPFL hanno introdotto SPIFFI: Spatial Polarization-Induced Fluorescence Fluttuation Imaging.
Questa tecnica sfrutta la polarizzazione della luce fluorescente per generare immagini a super-risoluzione di strutture e processi dinamici all’interno delle cellule viventi da una singola esposizione della telecamera. La ricerca è stata pubblicata su Nature Methods.
“I nostri esperimenti dimostrano che SPIFFI può catturare processi in rapido movimento all’interno delle cellule, consentendo al contempo immagini multidimensionali ad alta produttività oltre i limiti dei microscopi convenzionali,” riassume Radenovic.
Per visualizzare strutture in scala nanometrica all’interno delle cellule, i ricercatori spesso le etichettano con molecole fluorescenti che brillano quando illuminate da un laser.
Questo permette loro di analizzare piccole fluttuazioni di questa fluorescenza su centinaia o migliaia di immagini scattate nel tempo.
“In sostanza, approcci precedenti utilizzavano informazioni temporali per risolvere la risoluzione spaziale, ma questo non funziona molto bene sulle cellule viventi”, spiega il primo autore e dottorando dell’LBEN Wei Guo.
SPIFFI adotta un approccio fondamentalmente diverso: sfrutta il fatto che le molecole fluorescenti emettono luce polarizzata.
Ciò significa che le onde luminose emesse da una molecola oscillano preferenzialmente in certe direzioni, a seconda di come la molecola è orientata. SPIFFI suddivide questa luce fluorescente in quattro canali sensibili alla polarizzazione e confronta le immagini risultanti per recuperare dettagli strutturali precedentemente nascosti.
Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato che il metodo produce un miglioramento della risoluzione dell’immagine fino a doppio, risolvendo strutture di circa 160–170 nanometri con una singola istantanea.
La tecnica ha permesso al team di visualizzare i movimenti di mitocondri e microtubuli, così come gli eventi di fusione cellulare e scissione, che sono difficili da visualizzare chiaramente utilizzando approcci multi-frame.
“Con le tecniche precedenti, scattare molte immagini avrebbe prodotto solo un fotogramma super-risolto. Con SPIFFI, ogni fotogramma è super-risolto, il che significa che ora possiamo produrre video a super-risoluzione di celle live,” dice Guo.
“Abbiamo inoltre integrato senza soluzione di continuità le immagini SPIFFI con i metodi esistenti basati su fluttuazioni per il post-processing, raggiungendo risoluzioni di circa 80 nanometri.”
I ricercatori stanno ora lavorando per rendere il sistema di imaging SPIFFI più compatto e per combinare la tecnica con tecnologie di imaging tridimensionale.
Poiché l’hardware ottico può essere integrato con i microscopi a fluorescenza esistenti, SPIFFI potrebbe diventare uno strumento pratico per la biologia delle cellule vive, le neuroscienze, la biofisica e la scoperta di farmaci, permettendo ai ricercatori di catturare fenomeni su scala nanometrica rapidi mentre accadono.
EPFL LBEN CC BY SA
