I ricercatori dell’Università di Tokyo hanno sviluppato un nuovo microscopio in grado di acquisire simultaneamente immagini di strutture attraverso una gamma di intensità 14 volte più ampia rispetto ai microscopi convenzionali. Fondamentalmente, ciò si ottiene senza l’uso di coloranti fluorescenti o altri agenti di etichettatura, rendendolo eccezionalmente delicato sulle cellule viventi e ideale per l’osservazione a lungo termine. La svolta, pubblicata su Nature Communications, affronta una limitazione fondamentale della microscopia moderna: il compromesso tra la risoluzione delle caratteristiche cellulari su larga scala e il tracciamento delle singole particelle su scala nanometrica.
Il dilemma della microscopia
Per secoli, la microscopia ha guidato il progresso scientifico. Tuttavia, le tecniche avanzate hanno storicamente richiesto la specializzazione. La microscopia di fase quantitativa (QPM) eccelle nell’imaging di strutture più grandi di 100 nanometri, fornendo un’ampia visione delle cellule ma mancando della sensibilità per rilevare dettagli più piccoli. La microscopia a diffusione interferometrica (iSCAT), al contrario, può tracciare singole proteine e particelle su scala nanometrica, ma fatica a catturare il contesto cellulare completo visibile con QPM.
Questa divisione costringe i ricercatori a scegliere tra istantanee olistiche e tracciamento dinamico – fino ad ora.
Colmare il divario: misurazione simultanea della luce
Il gruppo di ricerca, guidato da Kohki Horie, Keiichiro Toda, Takuma Nakamura e Takuro Ideguchi, ha ipotizzato che la misurazione simultanea della luce diffusa in avanti e all’indietro potrebbe superare questa limitazione. Analizzando il modo in cui la luce interagisce con un campione da entrambe le direzioni, miravano a rivelare un’ampia gamma di dimensioni e movimenti all’interno di una singola immagine.
«Vorrei comprendere i processi dinamici all’interno delle cellule viventi utilizzando metodi non invasivi», spiega Horie, evidenziando la motivazione alla base del lavoro.
Convalida del microscopio: osservazione della morte cellulare
Per testare il nuovo microscopio, il team si è concentrato su un processo dinamico: la morte cellulare. Registrando una singola immagine che codifica le informazioni provenienti sia dalla luce che viaggia in avanti che all’indietro, hanno dimostrato la capacità di quantificare sia il movimento di strutture cellulari più grandi sia i movimenti di minuscole particelle all’interno della cellula.
“La nostra sfida più grande”, spiega Toda, “era separare in modo netto due tipi di segnali da una singola immagine mantenendo basso il rumore ed evitando la miscelazione tra loro”.
Quantificazione di dimensioni e movimento
Il microscopio risultante non solo cattura il movimento delle strutture su più scale, ma stima anche la dimensione e l’indice di rifrazione di ciascuna particella. L’indice di rifrazione, una misura di come la luce si piega quando passa attraverso una sostanza, fornisce ulteriori informazioni sulla composizione e sulle proprietà delle particelle osservate.
Questa capacità combinata consente ai ricercatori di monitorare i cambiamenti dinamici all’interno delle cellule viventi senza gli artefatti introdotti dall’etichettatura fluorescente. L’approccio unificato promette di accelerare la ricerca nel settore farmaceutico, nella biotecnologia e in altri campi che richiedono l’osservazione cellulare ad alta risoluzione e a lungo termine.
Questo sviluppo rappresenta un passo significativo verso una piattaforma di microscopia veramente versatile in grado di colmare il divario tra l’imaging su micro e nanoscala
