Per sottoporsi a imaging ad alta risoluzione, le cellule spesso devono essere affettate e tagliate a dadini, disidratato, dipinto con macchie tossiche, o annegato nella resina. Per le cellule, il risultato è morte certa.

Ma se i ricercatori possono vedere solo il funzionamento interno delle cellule morte, vedono solo una parte della storia. Non possono monitorare i processi dinamici in tempo reale delle cellule viventi, come reazioni metaboliche o risposte a malattie o trattamenti.

"I componenti e le strutture subcellulari hanno una profonda influenza sul comportamento del complesso macchinario cellulare e sulla biologia dei sistemi, ", ha affermato Gajendra Shekhawat della Northwestern University. "Tuttavia, svelare le strutture e i componenti all'interno della cellula è molto impegnativo perché sono così fragili".

Ora Shekhawat e Vinayak P. Dravid, l'Abraham Harris Professor di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la Northwestern Engineering, hanno sviluppato un nuovo sistema di imaging non invasivo che consente di visualizzare l'architettura subcellulare delle cellule vive a una risoluzione su scala nanometrica. Chiamato biosonda ad ultrasuoni, la tecnica combina le onde ultrasoniche con la microscopia a forza atomica, interagendo con le cellule vive per determinare i cambiamenti nel loro comportamento meccanico.

Supportato dalla National Science Foundation (NSF) e dal National Heart, Polmone, e Istituto del Sangue, la ricerca è stata recentemente pubblicata su Progressi scientifici . Shekhawat e Dravid sono stati gli autori corrispondenti del documento. Shekhawat, un professore associato di ricerca in scienza e ingegneria dei materiali, fu anche il primo autore dell'articolo. La ricerca è stata completata nel Centro sperimentale di caratterizzazione atomica e su nanoscala della Northwestern University (NUANCE). NUANCE è la struttura principale del programma National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI) supportato dalla NSF, che ha sede presso la Northwestern e si chiama Soft and Hybrid Nanotechnology Experimental (SHyNE) Resource.

Nonostante i recenti progressi nell'imaging, attualmente non esiste un unico metodo che fornisca immagini ad alta risoluzione e ad alta sensibilità di strutture subcellulari viventi. Microscopia fluorescente e confocale, che sono metodi tradizionali per monitorare le interazioni biologiche all'interno delle cellule, soffrono di scarsa risoluzione spaziale e richiedono coloranti o etichette invasive per migliorare il contrasto ed evidenziare le strutture all'interno dei tessuti biologici. L'imaging delle onde luminose e acustiche non è in grado di visualizzare strutture più piccole di poche centinaia di nanometri. La microscopia a scansione di sonda può fornire una risoluzione spaziale molto elevata, ma può solo identificare le strutture superficiali piuttosto che scrutare all'interno di una cellula. E mentre la microscopia elettronica può visualizzare dettagli fini a livello subcellulare, è una tecnica distruttiva che non può essere utilizzata per i tessuti biologici viventi.

"Sono esistiti molti blocchi stradali, " disse Dravid, che dirige il Centro NUANCE e la Risorsa SHyNE. "Caratterizzazione delle complesse dinamiche dei processi biologici, soprattutto percorsi di segnale a risoluzione nanometrica, è rimasta una sfida".

Shekhawat e la biosonda a ultrasuoni di Dravid, però, aggira questi problemi. Le sue onde ultrasoniche visualizzano in modo non invasivo le caratteristiche intracellulari profondamente sepolte. E la sua sonda per microscopia a forza atomica fornisce un'elevata sensibilità e un contrasto meccanico delle onde ultrasoniche sparse. Il risultato? Non distruttivo, contrasto notevolmente elevato, immagini su nanoscala di strutture e componenti in profondità all'interno di tessuti e cellule viventi.

"Utilizzando questo approccio non invasivo, possiamo monitorare l'imaging in tempo reale dei cambiamenti nanomeccanici in sistemi biologici complessi, " Shekhawat ha detto. "Questo potrebbe fornire indizi per la diagnosi precoce e potenziali percorsi per lo sviluppo di strategie terapeutiche".

Prossimo, il team prevede di espandere la propria tecnica a diverse applicazioni biomediche, come la nanomeccanica dei tessuti molli come la pelle, smalti, e ossa per sondare la loro architettura tridimensionale fino alla risoluzione spaziale su scala nanometrica.

"Una variazione significativa nelle nanostrutture cellulari e nella meccanica può essere direttamente influenzata dalle condizioni cancerose di una cellula, "Dravid ha detto. "Quindi Ultrasound Bioprobe potrebbe anche espandere la nostra comprensione fondamentale della nanomeccanica in gioco all'interno delle cellule tumorali".