I processi chiave nel corpo sono controllati dalla concentrazione di calcio dentro e intorno alle cellule. Un team dell'Università tecnica di Monaco (TUM) e l'Helmholtz Zentrum München hanno sviluppato la prima molecola sensore in grado di visualizzare il calcio negli animali viventi con l'aiuto di una tecnica di imaging priva di radiazioni nota come optoacustica. Il metodo non richiede che le cellule siano geneticamente modificate e non comporta alcuna esposizione alle radiazioni.

Il calcio è un importante messaggero nel corpo. Nelle cellule nervose, Per esempio, gli ioni calcio determinano se i segnali vengono trasmessi ad altre cellule nervose. E se un muscolo si contrae o si rilassa dipende dalla concentrazione di calcio nelle cellule muscolari. Questo vale anche per il cuore.

"Poiché il calcio svolge un ruolo così importante in organi essenziali come il cuore e il cervello, sarebbe interessante poter osservare come le concentrazioni di calcio cambiano in profondità all'interno dei tessuti viventi e in questo modo migliorare la nostra comprensione dei processi patologici. La nostra molecola sensore è un piccolo primo passo in questa direzione, "dice Gil Gregor Westmeyer, capo dello studio e professore all'Helmholtz Zentrum München. Nello studio è stato coinvolto anche il professor Thorsten Bach del Dipartimento di Chimica della TUM, che è stato pubblicato nel Giornale della Società Chimica Americana . I ricercatori hanno già testato la loro molecola nel tessuto cardiaco e nel cervello di larve viventi di pesce zebra.

Misurazioni del calcio possibili anche nei tessuti profondi

Il sensore può essere misurato utilizzando un relativamente nuovo, metodo di imaging non invasivo noto come optoacustica, che lo rende adatto per l'uso negli animali viventi e forse anche negli esseri umani. Il metodo si basa sulla tecnologia ad ultrasuoni, che è innocuo per l'uomo e non utilizza radiazioni. Gli impulsi laser riscaldano la molecola del sensore fotoassorbente nel tessuto. Questo fa sì che la molecola si espanda brevemente, con conseguente generazione di segnali ultrasonici. I segnali vengono poi rilevati da sensori ad ultrasuoni e tradotti in immagini tridimensionali.

La luce si disperde mentre attraversa i tessuti. Per questa ragione, le immagini al microscopio ottico diventano sfocate a profondità inferiori a un millimetro. Ciò evidenzia un altro vantaggio dell'optoacustica:gli ultrasuoni subiscono pochissima dispersione, producendo immagini nitide anche a profondità di diversi centimetri. Ciò è particolarmente utile per esaminare il cervello, perché i metodi esistenti penetrano solo pochi millimetri sotto la superficie del cervello. Ma il cervello ha una struttura tridimensionale così complessa con varie aree funzionali che la superficie ne costituisce solo una piccola parte. I ricercatori mirano quindi a utilizzare il nuovo sensore per misurare i cambiamenti di calcio in profondità all'interno dei tessuti viventi. Hanno già ottenuto risultati nel cervello delle larve di zebrafish.

Non tossico e privo di radiazioni

Inoltre, gli scienziati hanno progettato la molecola sensore in modo che possa essere facilmente assorbita dalle cellule viventi. Inoltre, è innocuo per i tessuti e funziona in base al colore:non appena il sensore si lega al calcio, il suo colore cambia, che a sua volta modifica il segnale optoacustico indotto dalla luce.

Molti metodi di imaging attualmente disponibili per visualizzare i cambiamenti del calcio richiedono cellule geneticamente modificate. sono programmati, Per esempio, diventare fluorescenti ogni volta che la concentrazione di calcio nella cellula cambia. Il problema è che non è possibile effettuare tali interventi genetici nell'uomo.

Il nuovo sensore supera questa limitazione, dicono gli scienziati. Nel futuro, i ricercatori intendono perfezionare ulteriormente le proprietà della molecola, consentendo di misurare i segnali del sensore in strati di tessuto ancora più profondi. A tal fine, il team guidato da Gil Gregor Westmeyer deve generare ulteriori varianti della molecola che assorbono la luce di una lunghezza d'onda maggiore di quella che non può essere percepita dall'occhio umano.