A un paziente, l'analisi di un campione di biopsia tissutale per verificare la presenza di qualcosa come il cancro può sembrare un processo relativamente semplice, anche se significa rinunciare a un pezzetto di carne da mettere alla prova. Il campione si dirige verso un laboratorio, il paziente torna a casa, e in diversi giorni il medico chiama con i risultati.

In realtà, un bel po' di lavoro va nella preparazione di un campione di tessuto e nella valutazione dei segni di malattia. Da vedere al microscopio, il campione deve essere tagliato in fette estremamente sottili che potrebbero essere spesse solo poche cellule. E per aiutare con la visualizzazione, il tecnico può impiegare una varietà di coloranti per etichettare proteine ​​specifiche o strutture cellulari.

"È necessaria un'ampia elaborazione del campione, "dice Lihong Wang, Bren Professor di Caltech di ingegneria medica e ingegneria elettrica nella divisione di ingegneria e scienze applicate. "Puoi etichettare solo così tante molecole alla volta, e devi fare un lavaggio tra le etichette. E alcune molecole non assorbono i coloranti e non vengono affatto etichettate".

Una nuova tecnica in fase di sviluppo nel laboratorio di Wang mira a rendere questo processo molto più semplice e meno invasivo. Invece di usare coloranti, la tecnica utilizza impulsi di luce laser per l'immagine di un campione.

Questo nuovo approccio, chiamata microscopia fotoacustica nel medio infrarosso localizzata nell'ultravioletto, o ULM-PAM, sviluppa immagini delle strutture microscopiche trovate in un pezzo di tessuto bombardando il campione con luce laser sia infrarossa che ultravioletta.

Un campione da acquisire viene prima colpito con un impulso di luce laser ultravioletta. Questa luce fa vibrare le molecole all'interno del campione. I sensori posizionati contro il campione raccolgono quei segnali di vibrazione e li passano a un computer che li elabora.

Nel passaggio successivo, il campione viene colpito con un impulso di luce laser infrarossa. Questo impulso riscalda leggermente il campione, ma non in modo uniforme. Alcuni materiali nel campione, come proteine ​​o DNA, si surriscaldano più di altri perché assorbono più energia dal laser.

Subito dopo l'impulso di riscaldamento, il campione viene nuovamente colpito da un impulso di luce laser ultravioletta. Proprio come prima, la luce UV fa vibrare le molecole all'interno del campione, e quei segnali vengono passati al computer. Confrontando i segnali dei campioni prima e dopo il riscaldamento, il computer crea un'immagine in cui le strutture possono essere identificate dalle loro firme di calore. Poiché le cellule cancerose esprimono proteine ​​e DNA in modo diverso rispetto alle cellule sane, possono essere differenziati in questo modo.

Per capire meglio come funziona, immagina se ti venissero dati due fogli di carta, uno bianco e uno nero, e ti chiedessi di determinare quale fosse quale senza guardarli.

Un modo per farlo sarebbe mettere entrambi i fogli di carta al sole, Aspetta alcuni minuti, e poi misurare la loro temperatura. Poiché gli oggetti neri assorbono più luce degli oggetti bianchi, il lenzuolo nero diventerebbe più caldo di quello bianco. La luce solare in questo esempio è analoga al laser a infrarossi utilizzato nella tecnica ULM-PAM, e il termometro è analogo al laser UV.

Junhui Shi, uno studioso post-dottorato in ingegneria medica nel laboratorio di Wang, ha guidato lo sforzo di due anni per sviluppare ULM-PAM e afferma che il progetto ha dovuto affrontare alcuni ostacoli significativi.

"Poiché la luce ultravioletta e l'infrarosso hanno proprietà diverse, dovevamo trovare specchi e vetri speciali che potessero mettere a fuoco entrambi, " dice. "E poiché non esiste una telecamera in grado di vedere entrambi, abbiamo dovuto sviluppare modi per vedere se erano correttamente focalizzati".

Sebbene Wang e Shi abbiano dimostrato che ULM-PAM funziona, la loro tecnica rimane allo stadio di proof-of-concept. Ci vuole ancora troppo tempo per essere utile in un ambiente clinico, anche se l'aggiornamento dei laser consentirà scansioni più rapide di campioni di tessuto, dicono.

Un obiettivo a lungo termine è sviluppare la tecnologia in qualcosa che può essere utilizzato sui tessuti mentre sono ancora nel corpo di un paziente, dice Wang.

"Voglio spostarlo in vivo. Voglio usarlo per visualizzare le cellule tumorali durante l'intervento chirurgico, " dice. "Questo sarebbe il sogno."

Il documento che descrive la tecnica, intitolato "Alta risoluzione, imaging a medio infrarosso ad alto contrasto di campioni biologici freschi con microscopia fotoacustica localizzata nell'ultravioletto, " appare nel numero del 13 maggio di Fotonica della natura .