I ricercatori hanno sviluppato una tecnica di imaging su scala molecolare rapida e pratica che potrebbe consentire agli scienziati di visualizzare dinamiche mai viste prima dei processi biologici coinvolti nelle malattie neurodegenerative come il morbo di Alzheimer e la sclerosi multipla.

La nuova tecnica rivela la composizione chimica di un campione e l'orientamento delle molecole che lo compongono, informazioni che possono essere utilizzate per capire come si comportano le molecole. Cosa c'è di più, acquisisce queste informazioni in pochi secondi, notevolmente più veloce dei minuti richiesti da altre tecniche. La maggiore velocità significa che sarà possibile per la prima volta osservare la progressione della malattia in modelli animali viventi a livello molecolare. Con ulteriore sviluppo, la tecnica potrebbe anche essere utilizzata per rilevare i primi segni di malattie neurodegenerative nelle persone.

In ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto, ricercatori guidati da Sophie Brasselet dell'Institut Fresnel, CNRS, Aix Marseille Université, Francia, segnalare la loro nuova tecnica, chiamato polarizzazione ad alta velocità risolta coerente diffusione Raman imaging. Hanno usato membrane lipidiche artificiali per dimostrare le capacità della tecnica di potenziare la ricerca neurologica.

Le membrane artificiali utilizzate nello studio sono costituite da strati impaccati di lipidi simili a quelli trovati nella guaina mielinica che ricopre gli assoni per aiutare gli impulsi elettrici a muoversi in modo rapido ed efficiente. Quando malattie come l'Alzheimer e la sclerosi multipla progrediscono, questi lipidi iniziano a disorganizzarsi e gli strati lipidici perdono la loro adesione. Questo alla fine provoca il distacco della guaina mielinica dall'assone e porta a segnali neurali malfunzionanti.

"Abbiamo progettato una tecnica in grado di visualizzare l'organizzazione molecolare in cellule e tessuti che alla fine può farci vedere la fase iniziale di questo distacco e come i lipidi sono organizzati all'interno di questa guaina mielinica, " ha detto Brasselet. "Questo potrebbe aiutarci a capire la progressione delle malattie identificando lo stadio in cui i lipidi iniziano a disorganizzarsi, Per esempio, e quali cambiamenti molecolari si stanno verificando durante questo periodo. Ciò potrebbe consentire nuovi trattamenti farmacologici mirati che funzionano in modo diverso da quelli utilizzati ora".

Guardare le molecole in tempo reale

La nuova tecnica sviluppata da Brasselet e dal suo team di ricerca fa uso di un effetto non lineare chiamato dispersione Raman coerente che si verifica quando la luce interagisce con le molecole. La frequenza, o lunghezza d'onda, del segnale non lineare fornisce la composizione chimica di un campione in base alle sue vibrazioni molecolari, senza la necessità di aggiungere ulteriori etichette fluorescenti o prodotti chimici.

I ricercatori si sono basati su un approccio esistente chiamato imaging di scattering Raman stimolato, che migliora il segnale Raman modulando l'intensità della luce laser, o potere. Per ottenere informazioni sull'orientamento molecolare dal segnale Raman coerente, i ricercatori hanno utilizzato un dispositivo elettro-ottico chiamato cella di Pockels per modulare rapidamente la polarizzazione del laser piuttosto che la sua intensità.

"Abbiamo preso il concetto di modulazione dell'intensità utilizzato per la diffusione Raman stimolata e l'abbiamo trasposto alla modulazione di polarizzazione utilizzando un dispositivo standard, " ha detto Brasselet. "Il rilevamento del segnale per la nostra tecnica è molto simile a quello che viene fatto con lo scattering Raman stimolato, tranne che invece di rilevare solo l'intensità della luce, rileviamo informazioni di polarizzazione che ci dicono se le molecole sono altamente orientate o totalmente disorganizzate".

Il tasto, però, consiste nell'acquisire informazioni di orientamento abbastanza velocemente da catturare processi biologici altamente dinamici a livello molecolare. I metodi precedenti erano lenti perché acquisivano un'immagine, quindi le informazioni di polarizzazione, e poi ripetuto il processo per catturare i cambiamenti nel tempo. Modulando la polarizzazione laser molto velocemente, i ricercatori potrebbero effettuare misurazioni pixel per pixel, in tempo reale.

Con il nuovo approccio, ci vuole meno di un secondo per acquisire informazioni sull'orientamento dei lipidi in un'immagine di grandi dimensioni che contiene diverse cellule. Queste informazioni vengono quindi utilizzate per costruire una sequenza di immagini di "ordine lipidico" che mostrano le dinamiche di orientamento molecolare su scale temporali inferiori al secondo.

Misurazione di singole membrane

I ricercatori hanno dimostrato che la loro tecnica potrebbe rivelare la deformazione e l'organizzazione dei lipidi nelle membrane lipidiche artificiali che assomigliano alle membrane impaccate della mielina. La tecnica era persino abbastanza sensibile da misurare l'organizzazione dei lipidi intorno ai globuli rossi, che hanno una sola membrana lipidica.

"Anche se abbiamo dimostrato la tecnica solo con membrane modello e singole cellule, questa tecnica è traducibile in tessuto biologico, " disse Brasselet. "Ci mostrerà come si comportano le molecole, informazioni che non sono disponibili dalle immagini morfologiche su scala micron scattate con tecniche di microscopia tradizionali".

Brasselet ha affermato che la nuova tecnica potrebbe essere utilizzata nel prossimo futuro per comprendere meglio la progressione nelle malattie che comportano una rottura della guaina mielinica, come l'Alzheimer e la sclerosi multipla. Per esempio, potrebbe essere utilizzato per l'immagine di neuroni in topi viventi combinando la tecnica di scattering Raman con i metodi esistenti in cui vengono impiantate minuscole finestre nel cervello e nel midollo spinale degli animali da laboratorio.

"In definitiva, vorremmo sviluppare un imaging Raman coerente in modo che possa essere utilizzato nel corpo per rilevare le malattie nelle loro fasi iniziali, " disse Brasselet. "Per fare questo, la tecnica dovrebbe essere adattata per funzionare con endoscopi o altri strumenti in fase di sviluppo che consentono l'imaging basato sulla luce all'interno del corpo".