Se sei un ricercatore che vuole vedere come si comportano solo poche cellule di un organismo, non è un compito semplice. Il corpo umano contiene circa 37 trilioni di cellule; il moscerino della frutta che svolazza intorno alle banane troppo mature sul tuo bancone potrebbe averne 50, 000 celle. Anche Caenorhabditis elegans, un minuscolo verme comunemente usato nella ricerca biologica, può avere fino a 3, 000 celle. Così, come si fa a monitorare un paio di puntini microscopici in mezzo a tutto questo?

Scienziati che lavorano nel laboratorio Caltech di Mikhail G. Shapiro, professore di ingegneria chimica e ricercatore dell'Heritage Medical Research Institute, hanno trovato un modo.

La nuova tecnica utilizza i cosiddetti geni reporter acustici, di cui Shapiro è stato uno sviluppatore pionieristico. Per comprendere i geni reporter acustici, prima sappi che i geni reporter sono un frammento specializzato di DNA che i ricercatori possono inserire nel genoma di un organismo per aiutarli a capire cosa sta facendo. Storicamente, i geni reporter hanno codificato proteine ​​fluorescenti. Per esempio, se un ricercatore inserisce uno di questi geni reporter accanto a un gene che vuole studiare, diciamo, il gene responsabile dello sviluppo dei neuroni:l'attivazione di quei geni neuronali produrrà anche molecole proteiche fluorescenti. Quando il giusto tipo di luce viene illuminato su quelle cellule, si accenderanno, un po' come un evidenziatore può segnare un passaggio specifico in un libro.

Questi geni reporter fluorescenti hanno però un grosso svantaggio:la luce non penetra molto lontano attraverso i tessuti viventi.

Così, Shapiro ha sviluppato geni reporter che usano il suono invece della luce. Questi geni, quando inserito nel genoma di una cellula, provoca la produzione di microscopiche strutture proteiche cave note come vescicole gassose. Queste vescicole si trovano normalmente in alcune specie di batteri che le usano per stare a galla nell'acqua, ma hanno anche l'utile proprietà di "squillare" quando vengono colpiti dalle onde ultrasoniche.

L'idea è che quando una cellula che produce queste vescicole viene ripresa con gli ultrasuoni, emetterà un segnale acustico che annuncerà la sua presenza, consentendo ai ricercatori di vedere dove si trova e cosa sta facendo. Questa tecnica è stata utilizzata per mostrare l'attività degli enzimi nelle cellule in lavori precedenti del laboratorio di Shapiro.

Nel loro ultimo documento, il team di ricerca descrive come ha aumentato così tanto la sensibilità di quella tecnica che ora può visualizzare una singola cellula, situato all'interno del tessuto corporeo, che porta un gene reporter acustico.

"Rispetto al lavoro precedente sulle vescicole di gas, questo documento ci permette di vedere quantità molto più piccole di queste vescicole di gas, " dice Daniel Sawyer (PhD '21), autore principale ed ex studente di dottorato in bioingegneria nel laboratorio di Shapiro. "È come passare da un satellite che può vedere le luci di una piccola città a uno che può vedere la luce di un singolo lampione".

I loro miglioramenti rappresentano un aumento di oltre 1000 volte della sensibilità rispetto alla tecnica precedente che avevano utilizzato per l'imaging delle cellule che trasportano i geni reporter acustici. La differenza sta negli ultrasuoni che usano e nel modo in cui le vescicole di gas rispondono ad esso.

Considerando che la precedente tecnica di imaging si basava sul suono delle vescicole come una campana che è stata colpita, la nuova tecnica utilizza ultrasuoni più potenti che "scoppiano" le vescicole come un palloncino.

"Le vescicole producono un segnale molto forte in quel momento, " dice Shapiro. "Poi le vescicole si rompono e smettono di fare un segnale. Stiamo cercando il piccolo blip."

Quel blip è così chiaro che può essere facilmente rilevato dai ricercatori, anche in mezzo a tutto il rumore di fondo prodotto dagli ultrasuoni che penetrano attraverso i tessuti. Shapiro afferma che il recente lavoro su ceppi ingegnerizzati di batteri iniettabili che attaccano le cellule tumorali, o batteri "tumore-homing", crea la necessità di modi migliori per tracciare queste cellule per vedere dove atterrano nel corpo. I ricercatori hanno dimostrato che quando i batteri sono stati anche progettati per trasportare il gene della vescicola gassosa, è stato possibile tracciare le singole cellule batteriche mentre entravano e viaggiavano attraverso il fegato dopo essere state iniettate nel flusso sanguigno.

Sawyer afferma che questo livello di sensibilità è necessario se i ricercatori vogliono utilizzare gli ultrasuoni per studiare la composizione del microbioma intestinale, quale, quando interrotto, può influenzare condizioni come il morbo di Alzheimer e l'autismo.

"Ci sono così tante specie di batteri nel tuo intestino, e alcuni sono così rari che hai bisogno di qualcosa di abbastanza sensibile da vedere solo pochi di loro nel profondo del corpo, " lui dice.

Far scoppiare le vescicole all'interno delle cellule danneggia le cellule? No, non proprio.

"La risposta breve è no, e la risposta lunga è no nella maggior parte dei casi pratici, " Dice Sawyer. "Ci sono alcuni casi in cui singole cellule batteriche che sono molto piccole e hanno una quantità molto grande di queste vescicole di gas sono danneggiate, ma non fa molta differenza per la popolazione batterica se alcuni di loro diventano meno vitali. E nelle cellule dei mammiferi, non abbiamo riscontrato alcun effetto negativo".

Shapiro e Sawyer stanno seguendo due strade per portare avanti la loro ricerca. Un percorso si baserà su ciò che i ricercatori hanno già sviluppato per creare tecniche di imaging più avanzate. Ciò comporterà l'ingegneria e la sperimentazione di nuovi tipi di vescicole che hanno proprietà diverse, come le vescicole che scoppiano più facilmente, o vescicole più robuste, o vescicole più piccole che possono inserirsi in luoghi che le vescicole più grandi non possono. L'altro percorso è trovare applicazioni pratiche per la tecnologia che hanno sviluppato, dice Sawyer.

"Nel campo della microscopia ottica, c'era questa coevoluzione di sonde ottiche e metodi di microscopia con tecniche come la microscopia a due fotoni e la microscopia a foglio luminoso [entrambi sono tipi di microscopia a fluorescenza], "Dice Shapiro. "L'articolo di Danny fa parte dello sviluppo dell'analogo ecografico di quelle tecniche di imaging".

I dettagli del processo sono stati pubblicati in Metodi della natura .