Una nuova tecnica di imaging sviluppata dagli scienziati del MIT, Università di Harvard, e il Massachusetts General Hospital (MGH) mira a illuminare le strutture cellulari nei tessuti profondi e altri materiali densi e opachi. Il loro metodo utilizza minuscole particelle incorporate nel materiale, che emettono luce laser.

Il team ha sintetizzato queste "particelle laser" sotto forma di minuscole bacchette, ciascuno misura una piccola frazione della larghezza di un capello umano. Le particelle sono costituite da perovskite di ioduro di piombo, un materiale utilizzato anche nei pannelli solari, e che assorbe e intrappola efficacemente la luce. Quando i ricercatori puntano un raggio laser sulle particelle, le particelle si illuminano, dando fuori normale, luce fluorescente diffusa. Ma se sintonizzano la potenza del laser in arrivo su una certa "soglia laser, " le particelle genereranno istantaneamente luce laser.

I ricercatori, guidato dallo studente laureato del MIT Sangyeon Cho, hanno dimostrato di essere in grado di stimolare le particelle ad emettere luce laser, creando immagini a una risoluzione sei volte superiore a quella degli attuali microscopi a fluorescenza.

"Ciò significa che se la risoluzione di un microscopio a fluorescenza è impostata su 2 micrometri, la nostra tecnica può avere una risoluzione di 300 nanometri, un miglioramento di circa sei volte rispetto ai normali microscopi, " Cho dice. "L'idea è molto semplice ma molto potente e può essere utile in molte diverse applicazioni di imaging".

Cho e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Lettere di revisione fisica . I suoi coautori includono Seok Hyun Yun, un professore ad Harvard; Nicola Martino, un ricercatore presso il Wellman Center for Photomedicine di Harvard e MGH; e Matjaž Humar, ricercatore presso l'Istituto Jozef Stefan. La ricerca è stata condotta nell'ambito della divisione Harvard-MIT di scienze e tecnologie della salute.

Una luce nel buio

Quando accendi una torcia in una stanza buia, che la luce appare relativamente diffusa, raggio nebbioso di luce bianca, che rappresenta un miscuglio di diverse lunghezze d'onda e colori. In netto contrasto, la luce laser è focalizzata in modo mirato, fascio di luce monocromatico, di una determinata frequenza e colore.

Nella microscopia a fluorescenza convenzionale, gli scienziati possono iniettare un campione di tessuto biologico con particelle piene di coloranti fluorescenti. Quindi puntano un raggio laser attraverso una lente che dirige il raggio attraverso il tessuto, provocando l'accensione di eventuali particelle fluorescenti sul suo percorso.

Ma queste particelle, come microscopiche torce elettriche, produrre un relativamente indistinto, bagliore sfocato. Se tali particelle dovessero emettere più mirate, luce laser, potrebbero produrre immagini più nitide di tessuti e cellule profonde. Negli ultimi anni, ricercatori hanno sviluppato particelle che emettono luce laser, ma il lavoro di Cho è il primo ad applicare queste particelle uniche alle applicazioni di imaging.

Laser a bacchette

Il team ha prima sintetizzato piccoli, nanofili di 6 micron di perovskite di ioduro di piombo, un materiale che fa un buon lavoro nell'intrappolare e concentrare la luce fluorescente. La geometria a forma di bastoncino delle particelle, che Cho descrive come "simile a una bacchetta", può consentire a una specifica lunghezza d'onda della luce di rimbalzare avanti e indietro lungo la lunghezza delle particelle, generando un'onda stazionaria, o molto regolare, schema concentrato di luce, simile a un laser.

I ricercatori hanno quindi costruito una semplice configurazione ottica, simile ai microscopi a fluorescenza convenzionali, in cui un raggio laser viene pompato da una sorgente luminosa, attraverso una lente, e su una piattaforma campione contenente le particelle laser.

Per la maggior parte, i ricercatori hanno scoperto che le particelle emettevano luce fluorescente diffusa in risposta alla stimolazione laser, simile ai tradizionali coloranti fluorescenti, a bassa potenza della pompa. Però, quando hanno sintonizzato la potenza del laser su una certa soglia, le particelle si illuminarono notevolmente, emettendo molta più luce laser.

Cho dice che la nuova tecnica ottica, che hanno chiamato microscopia a emissione stimolata di particelle LAser (LASE), potrebbe essere utilizzato per l'immagine di un piano focale specifico, o un particolare strato di tessuto biologico. Teoricamente, lui dice, gli scienziati possono far brillare un raggio laser in un campione tridimensionale di tessuto incorporato in tutto con particelle laser, e utilizzare una lente per focalizzare il raggio a una profondità specifica. Solo quelle particelle nel fuoco del raggio assorbiranno abbastanza luce o energia per accendersi come laser stessi. Tutte le altre particelle a monte del raggio del percorso dovrebbero assorbire meno energia ed emettere solo luce fluorescente.

"Possiamo raccogliere tutta questa emissione stimolata e possiamo distinguere il laser dalla luce fluorescente molto facilmente usando gli spettrometri, " Cho dice. "Ci aspettiamo che questo sarà molto potente quando applicato al tessuto biologico, dove la luce normalmente si disperde tutt'intorno, e la risoluzione è devastata. Ma se usiamo particelle laser, saranno i punti stretti che emetteranno luce laser. In questo modo possiamo distinguere dallo sfondo e ottenere una buona risoluzione".

Giuliano Scarcelli, un assistente professore presso l'Università del Maryland, afferma che il successo della tecnica dipenderà dall'implementazione con successo su un microscopio a fluorescenza standard. Una volta raggiunto ciò, applicazioni di imaging laser, lui dice, sono promettenti.

"Il fatto che tu abbia un laser rispetto alla fluorescenza probabilmente significa che puoi misurare più in profondità nel tessuto perché hai un rapporto segnale-rumore più alto, "dice Scarcelli, chi non era coinvolto nell'opera. "Bisogna vedere in pratica, ma d'altra parte, con ottica, non abbiamo un buon modo per visualizzare i tessuti profondi. Quindi qualsiasi ricerca su questo argomento è una gradita aggiunta".

Per implementare questa tecnica nei tessuti viventi, Cho dice che le particelle laser dovrebbero essere biocompatibili, che i materiali di perovskite di ioduro di piombo non lo sono. Però, il team sta attualmente studiando modi per manipolare le cellule stesse per brillare come i laser.

"La nostra idea è perché non usare la cella come fonte di luce interna?", dice Cho. "Stiamo iniziando a pensare a questo problema."