La nanospettroscopia a infrarossi di sincrotrone è stata utilizzata per la prima volta per misurare i cambiamenti biomolecolari indotti da un farmaco (amiodarone) all'interno di cellule umane (macrofagi) e localizzati su una scala di 100 nanometri, cioè due ordini di grandezza più piccoli della lunghezza d'onda IR usata come sonda. Ciò è stato ottenuto presso la linea di luce multimodale di imaging e micro spettroscopia a infrarossi (MIRIAM) (B22) presso la Diamond Light Source, l'impianto di sincrotrone nazionale del Regno Unito.
Questo è un importante risultato scientifico nelle scienze della vita condiviso da un team internazionale, come beamtime collaborativo tra i ricercatori della School of Cancer and Pharmaceutical Science del Kings College di Londra, il Dipartimento di Tecnologia Farmaceutica e Biofarmacia dell'Università di Vienna, e gli scienziati della linea di luce MIRIAM B22 a Diamond.
Il loro recente documento, ora pubblicato in Chimica analitica , è intitolato "Nanospettroscopia IR fototermica di sincrotrone della fosfolipidosi farmaco-indotta dai macrofagi". Delinea l'applicazione della cosiddetta Resonance Enhanced InfraRed Atomic Force Microscopy (RE AFM IR) mediante radiazione di sincrotrone, interrogare la materia biologica a livello subcellulare, in questo caso un modello cellulare di fosfolipidosi indotta da farmaci (DIPL). Invece del metodo tradizionale per valutare DIPL, ad es. conferma visiva mediante microscopia elettronica dei corpi lipidici o l'uso della tecnica di etichettatura a fluorescenza:hanno utilizzato l'illuminazione a banda larga IR mediante sincrotrone Diamond insieme al rilevamento AFM per ottenere sia la specificità molecolare che una maggiore risoluzione spaziale necessaria per localizzare i cambiamenti metabolici all'interno della cellula.
Il dott. Andrew Chan del King's College di Londra come investigatore principale spiega, "Lo studio modello basato sui macrofagi J774A-1 esposti/non esposti all'amiodarone ha chiaramente dimostrato che RE AFM IR con radiazione di sincrotrone è in grado di estrarre informazioni molecolari locali da piccoli organelli all'interno di una singola cellula in modo privo di etichette. Questo è notevole perché la determinazione del contenuto lipidico nei vacuoli è fondamentale nello studio del DIPL. Ciò avrà un impatto elevato sullo sviluppo di farmaci per via inalatoria, per cui il DIPL è una delle indicazioni chiave della risposta avversa dell'organismo alle particelle estranee".
Le mappe topografiche AFM hanno mostrato che le cellule trattate con amiodarone avevano un citoplasma ingrandito, e sottili regioni di vescicole collassate. Le mappe a infrarossi (IR) dell'intera cellula sono state analizzate sfruttando il segnale IR complessivo rispetto allo spessore cellulare derivato dall'AFM, anche su risoluzione laterale intorno ai 100 nm. Era possibile anche l'assegnazione della banda vibrazionale dei nanospettri:tutti i picchi caratteristici per i lipidi, proteine, e DNA/RNA sono stati identificati. Inoltre, sia il rapporto di banda che l'analisi chemiometrica non supervisionata dei nanospettri IR di sincrotrone dalle regioni nucleari e perinucleari delle cellule hanno mostrato che il citoplasma delle cellule trattate con amiodarone aveva intensità di banda significativamente elevate nelle regioni corrispondenti ai gruppi fosfato e carbonile, che indica il rilevamento di corpi inclusi ricchi di fosfolipidi tipici per le cellule con DIPL.
Scienziato principale della linea di luce MIRIAM a Diamond e uno degli autori del lavoro, Dott. Gianfelice Cinque, dice, "Il nostro esperimento è, per quanto ne so, una prima mondiale della spettroscopia fototermica IR IR con sincrotrone nelle scienze della vita, e ha dimostrato che la spettroscopia fototermica IR Nano può scansionare con successo le cellule di mammifero e rivelare l'impronta molecolare interna tramite lo spettro IR completo, grazie alla copertura a banda larga IR Synchrotron."
Ha spiegato che il sistema modello cellulare e il trattamento farmacologico hanno esemplificato la capacità del metodo colocalizzando spazialmente la morfologia e la biochimica su scala subcellulare. Ciò che è stato notevole è che la qualità dei nanospettri ottenuta è stata tale da catturare chiaramente le caratteristiche vibrazionali tipiche osservate dalla microscopia IR su cellule biologiche, ma per la prima volta su scala nanometrica, fornire informazioni biochimiche subcellulari in modo privo di etichette. Aggiunge, "Questo risultato è stato la conclusione di un lungo sforzo sperimentale da parte del team IR beamline B22 di Diamond, in particolare il lavoro esperto del Dr. Mark Frogley e del Dr. Ioannis Lekkas."
Ha continuato spiegando che l'eccellenza della linea di luce MIRIAM (B22) nella spettroscopia IR Nano di sincrotrone, ad es. Spettroscopia RE-AFM-IR di sincrotrone:offre una visione chimica e morfologica unica a lunghezza d'onda inferiore o risoluzione di 100 nm attraverso una varietà di ricerche nella vita reale, in particolare nella materia soffice, come l'effetto microplastico nei tessuti viventi, fenomeni di superficie antimicrobici, microfossili e biogeologia su scala submicronica, analisi di microelettronica organica, materiali microcompositi e mesostrutture.
Presto sarà offerta maggiore capacità di ricerca presso la MIRIAM beamline B22, poiché una nuova stazione finale nanoIR è prevista dalla metà del 2021. Oltre all'attuale esperienza nella nanospettroscopia fototermica IR di sincrotrone, l'aggiornamento consentirà nuovi metodi (es. AFM IR in modalità tapping), e integrarli in modo cruciale con la microscopia ottica a scansione a dispersione IR (s-SNOM), spingendo ulteriormente la risoluzione spaziale alla scala di 10 nanometri.
