La nostra finestra sul mondo cellulare è appena diventata molto più chiara.

Combinando due tecnologie di imaging, gli scienziati possono ora guardare con dettagli 3D senza precedenti mentre le cellule tumorali strisciano, i circuiti del nervo spinale si collegano, e le cellule immunitarie attraversano l'orecchio interno di un pesce zebra.

Il fisico Eric Betzig, un leader del gruppo presso il Janelia Research Campus dell'Howard Hughes Medical Institute, e colleghi segnalano il lavoro il 19 aprile 2018, nel diario Scienza .

Gli scienziati hanno ripreso le cellule viventi con i microscopi per centinaia di anni, ma le viste più nitide sono venute da celle isolate su vetrini. I grandi gruppi di cellule all'interno di interi organismi rimescolano la luce come un sacco pieno di biglie, dice Betzig. "Questo solleva il fastidioso dubbio che non stiamo vedendo le cellule nel loro stato nativo, felicemente sistemati nell'organismo in cui si sono evoluti."

Anche quando si visualizzano le celle singolarmente, i microscopi più comunemente usati per studiare i meccanismi interni delle cellule sono solitamente troppo lenti per seguire l'azione in 3-D. Questi microscopi bagnano le cellule con una luce da migliaia a milioni di volte più intensa del sole del deserto, dice Betzig. "Questo contribuisce anche alla nostra paura di non vedere le cellule nel loro naturale, forma non accentata.

"Si dice spesso che vedere per credere, ma quando si tratta di biologia cellulare, Penso che la domanda più appropriata sia 'Quando possiamo credere a ciò che vediamo?'", aggiunge.

Per affrontare queste sfide, Betzig e il suo team hanno combinato due tecnologie di microscopia che hanno riportato per la prima volta nel 2014, lo stesso anno ha condiviso il Premio Nobel per la Chimica. Per decodificare la luce dalle cellule sepolte all'interno degli organismi, i ricercatori si sono rivolti all'ottica adattiva, la stessa tecnologia utilizzata dagli astronomi per fornire una visione chiara di oggetti celesti distanti attraverso l'atmosfera turbolenta della Terra. Quindi, per visualizzare la coreografia interna di queste cellule rapidamente ma delicatamente in 3-D, il team ha utilizzato la microscopia a foglio di luce reticolare. Quella tecnologia spazza rapidamente e ripetutamente un foglio di luce ultrasottile attraverso la cella mentre acquisisce una serie di immagini 2-D, costruire un film 3D ad alta risoluzione delle dinamiche subcellulari.

Il nuovo microscopio è essenzialmente tre microscopi in uno:un sistema ottico adattivo per mantenere l'illuminazione sottile di un foglio di luce reticolare mentre penetra all'interno di un organismo, e un altro sistema ottico adattivo per creare immagini prive di distorsioni quando si guarda dall'alto sul piano illuminato. Facendo brillare un laser attraverso entrambi i percorsi, i ricercatori creano un punto luminoso luminoso all'interno della regione che desiderano riprendere. Le distorsioni nell'immagine di questa "stella guida" dicono al team la natura delle aberrazioni ottiche lungo entrambi i percorsi. I ricercatori possono correggere queste distorsioni applicando distorsioni uguali ma opposte a un modulatore di luce pixelato sul lato dell'eccitazione, e uno specchio deformabile al rilevamento. Su grandi volumi, le distorsioni cambiano mentre la luce attraversa diversi tessuti. In questo caso, il team assembla grandi immagini 3D da una serie di sottovolumi, ciascuno con le proprie correzioni di eccitazione e rilevamento indipendenti.

I risultati offrono un nuovo elettrizzante sguardo alla biologia, e rivelano una vivace metropoli in azione a livello subcellulare. In un film dal microscopio, una cellula immunitaria arancione infuocata si contorce all'impazzata attraverso l'orecchio di un pesce zebra mentre raccoglie particelle di zucchero blu lungo la strada. In un altro, una cellula cancerosa trascina appendici appiccicose mentre scorre attraverso un vaso sanguigno e tenta di ottenere l'appoggio sulla parete del vaso.

La complessità dell'ambiente multicellulare 3-D può essere schiacciante, Betzig dice, ma la chiarezza delle immagini del suo team consente loro di "esplodere" computazionalmente a parte le singole cellule nel tessuto per concentrarsi sulle dinamiche all'interno di una particolare, come il rimodellamento degli organelli interni durante la divisione cellulare.

Tutto questo dettaglio è difficile da vedere senza l'ottica adattiva, dice Betzig. "È solo troppo dannatamente sfocato." A suo avviso, l'ottica adattiva è oggi una delle aree più importanti della ricerca sulla microscopia, e il microscopio a foglio di luce reticolare, che eccelle nell'imaging 3D dal vivo, è la piattaforma perfetta per mostrare la sua potenza. L'ottica adattiva non è ancora decollata, lui dice, perché la tecnologia è stata complicata, caro, e fino ad ora, non ne vale chiaramente la pena. Ma entro 10 anni, Betzig prevede, i biologi di tutto il mondo saranno a bordo.

Il prossimo grande passo è rendere questa tecnologia accessibile e facile da usare. "Le dimostrazioni tecniche e le pubblicazioni non equivalgono a una montagna di fagioli. L'unico metro con cui un microscopio dovrebbe essere giudicato è quante persone lo usano, e il significato di ciò che scoprono con esso, "dice Betzi.

L'attuale microscopio riempie un tavolo lungo 10 piedi. "È un po' il mostro di Frankenstein in questo momento, "dice Betzig, che si sta trasferendo all'Università della California, Berkeley, in autunno. Il suo team sta lavorando a una versione di nuova generazione che dovrebbe stare su una piccola scrivania a un costo alla portata dei singoli laboratori. Il primo di questi strumenti andrà all'Advanced Imaging Center di Janelia, dove gli scienziati di tutto il mondo possono fare domanda per usarlo. Saranno inoltre resi disponibili gratuitamente piani per creare le proprie copie. In definitiva, Betzig spera che la versione ottica adattiva del microscopio reticolare sarà commercializzata, come lo era lo strumento reticolare di base prima di esso. Ciò potrebbe portare l'ottica adattiva nel mainstream.

"Se vuoi davvero capire la cellula in vivo, e immaginarlo con la qualità possibile in vitro, questo è il prezzo del biglietto, " lui dice.