La microscopia a fluorescenza a foglio di luce è un nuovo entusiasmante metodo di imaging che sfrutta sottili fogli di luce per creare immagini di grandi campioni biologici come embrioni di mosca e pesce, topi e persino pezzi di tessuto umano. E il suo utilizzo potrebbe portare a diagnosi meno intrusive e più efficaci per i pazienti.

All'Università di St Andrews, di recente abbiamo utilizzato le proprietà insolite dei raggi laser sagomati per ottenere un'immagine più chiara più in profondità all'interno dei campioni, utilizzando raggi che piegano e curvano gli angoli arrotondati e diventano più luminosi, piuttosto che più scuro, mentre viaggiano.

In contrasto, se tieni brevemente un dito davanti a un puntatore laser convenzionale, noterai che il tuo dito si illumina mentre il raggio diffonde la luce in tutte le direzioni e solo una piccola quantità di luce, se presente, passa.

La microscopia si è sviluppata a un ritmo eccezionale dal suo sviluppo più di 350 anni fa, tuttavia rimane difficile visualizzare campioni tridimensionali (3D) di grandi dimensioni. Ciò significa che i campioni biologici tendono ad essere strati di singole cellule cresciuti su un sottile vetrino, che non è uno scenario molto realistico.

Le persone sono esseri 3D e la ricerca sulle malattie deve tenerne conto. Se una persona riceve un farmaco per una malattia, sarebbe bello se non ne causasse un altro. È per questo motivo che molta ricerca biomedica si sta spostando verso modelli 3D per studiare in modo più accurato malattie come l'Alzheimer e il Parkinson.

Però, La microscopia a fluorescenza a foglio luminoso è una tecnologia particolarmente adatta per l'imaging di grandi volumi in modo rapido e senza causare alcun danno. La geometria per questa forma di microscopia è stata originariamente sviluppata all'inizio del XX secolo per aiutare lo studio delle nanoparticelle.

Richard Zsigmondy vinse il Premio Nobel per la chimica nel 1925 in parte per lo sviluppo di questa tecnologia, ma in seguito cadde in disuso. Fu solo con l'avvento dell'illuminazione laser e dei biomarcatori fluorescenti naturali che la microscopia a foglio luminoso, negli ultimi due decenni, vide una rinascita nell'imaging biomedico.

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La mancanza di contrasto in un'immagine può rivelarsi un ostacolo significativo quando si tratta di acquisire campioni di grandi dimensioni. È l'equivalente di cercare di leggere un libro con pagine trasparenti al buio.

Se accendi una torcia il libro le parole sulla pagina saranno visibili, ma vedrai anche le parole davanti e dietro la pagina che stai leggendo, rendendo estremamente difficile dire quale parola provenga da quale pagina. Lo stesso problema si applica al tentativo di vedere all'interno di campioni di grandi dimensioni utilizzando la microscopia a fluorescenza.

Quando leggi in modo leggero, il libro diventa di nuovo accessibile semplicemente tenendo la torcia a lato del libro e facendola brillare su ogni pagina separatamente.

Al microscopio a foglio leggero, un sottile foglio di luce viene inviato nel lato del campione che taglia proprio attraverso la parte che si desidera guardare. Per di qua, la fluorescenza è ancora generata nel piano di interesse ma non altrove e il risultato finale è un nitido, immagine chiara. Rendendo il foglio leggero più sottile, oggetti più piccoli diventano visibili.

La vera sfida è creare un foglio di luce super sottile che taglia un intero campione. Nonostante l'innovativo approccio di imaging, il foglio di luce è ancora governato dalle regole dell'ottica. Un raggio laser standard, noto come raggio gaussiano, è limitato dalla divergenza.

Se focalizzi un raggio gaussiano in un punto, divergerà e si espanderà in seguito. Se lo focalizzi più strettamente, si espanderà più rapidamente. Ciò limita la lunghezza dei fogli leggeri supersottili, e quindi non può essere utilizzato per l'imaging di oggetti di grandi dimensioni.

I ricercatori hanno iniziato a esplorare l'uso di raggi esotici con proprietà insolite per la creazione di fogli di luce nel 2010. Questi raggi ingannano la divergenza e non cambiano la loro forma o dimensione mentre viaggiano e quindi possono rimanere sottili su distanze molto maggiori rispetto a un raggio gaussiano standard, dando un microscopio ad alta risoluzione e un'ampia area di imaging.

Travi esotiche per la vittoria

Travi Bessel e travi Airy, che si dice diano una "tripla vittoria" per la microscopia, sono le travi esotiche più notevoli per piegare le regole.

Questi fasci esotici non solo consentono una maggiore risoluzione su un'ampia area di imaging, ma diffondono anche la loro energia proteggendo così il campione da intensi danni da irradiazione laser. Resistono anche alla dispersione e quindi non vengono distorti, ottenendo fogli di luce e immagini di alta qualità.

Recentemente, abbiamo preso ulteriore controllo della forma di queste travi speciali, utilizzando fasci e fogli di luce che possono crescere di intensità e diventare più luminosi mentre viaggiano. L'uso di fogli di luce che diventano più luminosi significa che otteniamo più segnale da campioni interni profondi, dove l'assorbimento normalmente farebbe sì che il foglio di luce e l'immagine diventino rumorosi e molto più deboli.

La tecnica si basa sul controllo del modo in cui l'energia viene distribuita all'interno del campione. Il modo ingenuo per ottenere più segnale da aree più profonde di un campione sarebbe quello di aumentare la potenza del laser che potrebbe causare molti danni alla superficie del campione. Concentrando selettivamente più energia solo negli strati profondi, possiamo aumentare il segnale in un modo che non dovrebbe danneggiare il campione.

La nostra ricerca ha dimostrato che questo approccio alla luce sagomata è vantaggioso per l'imaging a foglio luminoso, ma ci aspettiamo anche che possa spingere i limiti di una serie di altre tecniche di imaging ottico come la tomografia a coerenza ottica, una sorta di metodo di imaging a "ecografia ottica" che sta trovando molte applicazioni cliniche tra cui l'imaging retinico.

È un momento emozionante per lavorare con travi così esotiche.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.