Il team Columbia dietro il rivoluzionario microscopio 3-D SCAPE annuncia oggi una nuova versione di questa tecnologia di imaging ad alta velocità. In collaborazione con scienziati di tutto il mondo, hanno usato SCAPE 2.0 per rivelare dettagli inediti di creature viventi, dai neuroni che sparano all'interno di un verme contorto alle dinamiche 3D del cuore pulsante di un embrione di pesce, con una risoluzione di gran lunga superiore e a velocità fino a 30 volte superiori rispetto alla loro dimostrazione originale.
Questi miglioramenti a SCAPE, pubblicato oggi in Metodi della natura , promettono di avere un impatto su campi di vasta portata come la genetica, cardiologia e neuroscienze.
Perché è avere più velocemente, L'imaging 3D è così prezioso? "I processi che guidano gli esseri viventi sono dinamici e in continua evoluzione, dal modo in cui le cellule di un animale comunicano tra loro, a come una creatura si muove e cambia forma, "ha detto Elizabeth Hillman, dottorato di ricerca, un investigatore principale al Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute della Columbia e autore senior del documento. "Più velocemente possiamo immaginare, più di questi processi possiamo vedere e l'imaging veloce in 3-D ci permette di vedere l'intero sistema biologico, piuttosto che un solo aereo, offrendo un chiaro vantaggio rispetto ai microscopi tradizionali."
Quando il team del Dr. Hillman ha introdotto per la prima volta la microscopia SCAPE (eccitazione planare allineata confocale) quattro anni fa, il loro approccio ha sfidato le ipotesi su come creare un'immagine di tessuti viventi ad alta velocità.
"La maggior parte dei microscopi che visualizzano campioni viventi scansionano un piccolo punto di luce laser attorno al campione, ma l'approccio di scansione dei punti è lento, dando solo poco tempo per vedere ogni punto, " disse Venkatakaushik Voleti, dottorato di ricerca, il primo autore del documento che ha sviluppato SCAPE 2.0 come candidato al dottorato nel laboratorio del Dr. Hillman. "Il nostro sistema utilizza un obliquo, o angolato, foglio di luce per illuminare un intero piano all'interno del campione, e poi spazza questo foglio leggero sul campione per formare un'immagine 3D."
Sebbene i campioni di imaging che utilizzano fogli di luce risalgano a più di 100 anni, L'ingegnosità di SCAPE sta nel modo in cui sposta rapidamente il foglio di luce e focalizza l'immagine di questo foglio su una telecamera fissa utilizzando un unico specchio in movimento, rendendolo fulmineo e sorprendentemente semplice. Inoltre, SCAPE è delicato con i campioni viventi perché utilizza solo una frazione della luce di cui i microscopi a scansione puntuale avrebbero bisogno per ottenere immagini a velocità comparabili. SCAPE realizza tutto questo attraverso un unico, obiettivo fisso, aprendo spazio per un'ampia gamma di campioni rispetto ai microscopi a foglio di luce convenzionali che richiedono camere campioni complesse circondate da molte lenti.
"Le persone sono spesso sorprese da quanto siano compatte, semplice e facile da usare SCAPE è, " ha detto il dottor Hillman, che guida abitualmente i sistemi SCAPE nel bagagliaio della sua auto per dare ai ricercatori dimostrazioni pratiche.
Il team del Dr. Hillman sta lavorando per aiutare gli scienziati di tutto il mondo a utilizzare SCAPE per le proprie ricerche, invitando scienziati nel suo laboratorio allo Zuckerman Institute della Columbia, o aiutandoli a costruire i propri sistemi, grazie al sostegno del National Institutes of Health BRAIN Initiative. Il Dr. Hillman sta anche lavorando con Leica Microsystems, che hanno concesso in licenza SCAPE e stanno attualmente sviluppando una versione commerciale del sistema.
Il Dr. Hillman attribuisce un ampio interesse per SCAPE 2.0 ai recenti importanti progressi nell'etichettatura fluorescente, che consente agli scienziati di rendere le cellule specifiche di un animale brillare di colori diversi, e può anche far lampeggiare le cellule quando si segnalano l'una all'altra. Nota anche il crescente impatto di piccoli, animali quasi trasparenti come i vermi di C. elegans, embrioni di zebrafish e moscerini della frutta che possono essere osservati durante i comportamenti naturali, o essere modificato per ricapitolare le malattie umane. SCAPE 2.0 è perfettamente posizionato per catturare la sinfonia degli eventi cellulari, movimenti e risposte che si manifestano in questi sistemi viventi.
"Nel nostro nuovo giornale, mostriamo come SCAPE 2.0 può tracciare i singoli neuroni che si attivano in un intero animale mentre striscia intorno, dandoci una nuova finestra su come l'attività neurale guida il comportamento, " ha detto il dottor Hillman, che è anche professore di ingegneria biomedica alla Columbia Engineering.
Pur ispirandosi alle esigenze delle neuroscienze, Il Dr. Hillman osserva che molti dei metodi di etichettatura e dei modelli animali sopra menzionati stanno ora trasformando altre aree di ricerca, permettendo agli scienziati di esplorare come le cellule tumorali cancerose si segnalano tra loro, come le cellule immunitarie trovano i loro bersagli o come il cuore e il sistema cardiovascolare sono influenzati da farmaci e malattie.
"È davvero emozionante vedere le tecniche, stimolato dall'iniziativa BRAIN, avere un impatto sempre più ampio sulla scienza e sulla medicina", ha affermato il dott. Hillman.
Riconoscendo questa opportunità, Il dottor Hillman ha collaborato con la cardiologa pediatrica Kimara Targoff, dottore, mettere SCAPE 2.0 al lavoro per studiare come si sviluppa il cuore. Il laboratorio del dottor Targoff utilizza il pesce zebra come modello animale per decifrare le mutazioni genetiche che possono causare malformazioni cardiache nell'embrione. Capire come queste mutazioni portano alla malattia potrebbe informare i trattamenti per i bambini che vivono con malattie cardiache congenite.
"Il problema con l'imaging del cuore che batte è che batte veloce, cambiando la sua forma mentre il sangue scorre attraverso di essa in un'ampia gamma di direzioni, " ha affermato il dottor Targoff, assistente professore di pediatria presso il Vagelos College of Physicians and Surgeons della Columbia e coautore del documento di oggi. "Con SCAPE 2.0, possiamo immaginare il cuore pulsante dell'embrione di zebrafish in 3-D e in tempo reale, permettendoci di vedere come i segnali di calcio inviati tra le cellule cardiache provocano la contrazione della parete cardiaca, o come i globuli rossi scorrono attraverso le valvole del cuore battito dopo battito. Utilizzando questa conoscenza, possiamo monitorare come una particolare mutazione genetica influenza il normale sviluppo del cuore in un ambiente che ricapitola più da vicino lo stato naturale del cuore".
Il desiderio di seguire un singolo globulo rosso mentre viaggia attraverso il cuore pulsante è stata una forza trainante per spingere i limiti di velocità di SCAPE 2.0.
Per raggiungere queste velocità senza precedenti, Il team del Dr. Hillman ha lavorato a stretto contatto con Lambert Instruments, sfruttando la telecamera HiCAM Fluo ultraveloce dell'azienda. Questa fotocamera è stata utilizzata per catturare immagini a più di 18, 000 fotogrammi al secondo nel cuore pulsante dell'embrione di zebrafish. Questa nuova configurazione ha aperto la porta alla registrazione di singoli neuroni che si attivano in un verme C. elegans che si muove liberamente, dando la prima visione del sistema nervoso completo di un animale in azione. Gli altri aggiornamenti di SCAPE 2.0 includono una migliore efficienza luminosa, un campo visivo più ampio e una risoluzione spaziale molto migliorata.
La risoluzione migliorata di SCAPE 2.0 ha inoltre consentito al team di acquisire immagini di campioni creati utilizzando la pulizia dei tessuti e l'espansione dei tessuti. Questi metodi consentono agli scienziati di vedere strutture e connessioni in profondità all'interno di campioni intatti, da cervelli di topo intero a tumori e biopsie umane. Sebbene questi campioni non siano vivi, sono molto grandi e richiedono molto tempo per l'immagine utilizzando microscopi standard. Il documento di oggi dimostra che SCAPE 2.0 potrebbe visualizzare questi tipi di campioni a velocità da record.
La dottoressa Hillman e il suo team stanno continuando a sviluppare e migliorare SCAPE per espandere ulteriormente la sua utilità, pur lavorando con un gruppo sempre crescente di collaboratori, dai neuroscienziati dello Zuckerman Institute al vulcanologo della Columbia Einat Lev Ph.D., che utilizza SCAPE per visualizzare il modo in cui si formano le bolle di gas durante le eruzioni vulcaniche.
Il team del Dr. Hillman sta anche sviluppando una versione miniaturizzata di SCAPE per uso medico, distinguere rapidamente tra cellule sane e malate all'interno del corpo di un paziente, offrendo ai medici un nuovo modo di guidare come eseguire interventi chirurgici complessi in sala operatoria.
"I limiti di strumenti e tecniche spesso vincolano ciò che gli scienziati pensano di poter studiare, " ha detto il dottor Hillman, che è anche professore di radiologia al Vagelos College of Physicians and Surgeons della Columbia. "SCAPE 2.0 apre un nuovo panorama di cose che possiamo vedere. Spero che i nostri nuovi risultati ispirino gli scienziati a pensare a quali nuove domande possono essere poste, e quali nuove strade di scoperta scientifica possiamo esplorare in futuro".
Questo documento è intitolato "Microscopia volumetrica in tempo reale di dinamiche in vivo e campioni su larga scala con SCAPE 2.0".
