(Phys.org) —Una tecnica di imaging basata su coloranti nota come microscopia a due fotoni può produrre immagini di strutture neurali attive con dettagli molto più fini rispetto alla risonanza magnetica funzionale, o fMRI, ma richiede laser potenti e costosi. Ora, un gruppo di ricerca dell'Università della Pennsylvania ha sviluppato un nuovo tipo di colorante che potrebbe ridurre il costo della tecnica di diversi ordini di grandezza.

Lo studio è stato condotto dal professore associato Sergei Vinogradov e dalla ricercatrice post-dottorato Tatiana Esipova, entrambi del Dipartimento di Biochimica e Biofisica Molecolare della Perelman School of Medicine di Penn, insieme a Christopher Murray, professore nei dipartimenti di Chimica della Scuola di Arti e Scienze e di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate.

È stato pubblicato su Atti delle Accademie Nazionali delle Scienze .

La microscopia a due fotoni prevede l'uso di un potente laser per sparare rapidamente fotoni in un raggio altamente focalizzato che può passare attraverso i tessuti viventi. L'energia combinata di una coppia di fotoni infrarossi che si scontrano con una molecola di un colorante marcatore lo fa diventare fluorescente nell'intervallo visibile. Scansionando il fuoco del raggio su uno spazio tridimensionale, la fluorescenza del colorante può rivelare anche le più piccole strutture 3D, come i capillari sanguigni nel cervello e persino le singole cellule. E utilizzando coloranti sensibili alla chimica di specifici processi biologici, come il movimento degli ioni calcio che permette ai neuroni di attivarsi, la tecnica può essere utilizzata anche per l'imaging funzionale; può percepire cambiamenti nell'attività neurale mentre un soggetto sta pensando.

"È praticamente l'unico modo per osservare in profondità le singole cellule o anche le strutture subcellulari del cervello, " ha detto Vinogradov. "FMRI ti dà solo regioni più grandi; non vedi i dettagli E molte delle cose che siamo interessati a sondare sono molto vicine tra loro".

Lo svantaggio di questa tecnica è che i coloranti attualmente disponibili richiedono enormi quantità di energia per produrre immagini utilizzabili. I ricercatori devono utilizzare laser a femtosecondi, che può sparare un quadrilione di coppie di fotoni al secondo. Questi laser sono molto costosi, però, limitando le applicazioni della tecnica di microscopia.

Una possibile soluzione sarebbe quella di utilizzare un colorante che emette fluorescenza più facilmente. A tal fine, le nanoparticelle costituite dagli elementi lantanidi sono state a lungo studiate come sonde molecolari.

"Queste nanoparticelle hanno un'eccitabilità che è da un milione a 10 milioni di volte superiore rispetto ai coloranti molecolari esistenti, " Disse Vinogradov. "Ciò significa che per eccitare queste nanoparticelle, potresti usare una fonte di luce che costa più vicino a $ 200 anziché $ 200, 000."

La sfida era quindi quella di ottenere nanoparticelle di lantanidi nei tipi di tessuti che i ricercatori volevano studiare, come il cervello. Poiché queste nanoparticelle non sono solubili, non possono essere iniettati in sicurezza nel flusso sanguigno. Invece di scorrere insieme al sangue, si sedevano sul fondo dei vasi sanguigni, eventualmente formare un coagulo.

Altri gruppi avevano provato ad aumentare la solubilità delle nanoparticelle avvolgendole in materiale idrofilo, o amante dell'acqua, polimeri. Questi polimeri sono essenzialmente delle corde con una coda che è attratta dall'acqua e una testa che è attratta dalla particella. In teoria, la testa si legherebbe alla superficie delle nanoparticelle e la coda interagirebbe con il flusso sanguigno, ma, perché la corda sarebbe attaccata alla particella da un unico punto di contatto, potrebbe facilmente cadere. L'aggiunta di più siti di legame delle particelle alla stringa risolve un problema ma ne crea un altro.

"Questo tipo di filo avvolge e si incolla alla particella, ma nessuna delle sue parti idrofile rimane disponibile per interagire con il solvente, " Ha detto Vinogradov. "Si attacca alla nanoparticella ma non la rende significativamente più solubile".

Vinogradov e i suoi colleghi hanno adottato un approccio diverso, modellare polimeri dendritici. Questi dendrimeri hanno più rami attaccati a un nucleo, dando loro una forma sferica complessiva.

"Immagina di avere una pallina da tennis, e lo appiccichi a una parete rivestita di velcro. Perché è una palla, c'è ancora una frazione significativa della sua superficie che è ancora esposta, " ha detto Vinogradov. "Prendiamo le nanoparticelle di lantanidi e copriamo la loro intera superficie con queste sfere idrofile. È un concetto geometrico molto semplice".

Attaccare questi dendrimeri alle nanoparticelle è stato possibile grazie alla precedente ricerca di Christopher Murray, che ha consentito una procedura speciale per "rivestire" le superfici delle nanoparticelle con uno strato che facilita la loro interazione con i dendrimeri.

I ricercatori hanno testato l'efficacia di questo approccio su un modello murino. Hanno iniziato iniettando un colorante marcatore convenzionale e utilizzando un laser a femtosecondi per mappare la vascolarizzazione di una sezione del cervello del topo. Quindi sono passati a un laser che era un milione di volte più debole e hanno mappato di nuovo la stessa regione, prevedibilmente non producendo fluorescenza. Finalmente, hanno mantenuto lo stesso debole laser ma hanno iniettato le nanoparticelle rivestite di dendrimero, che ha permesso ai ricercatori di produrre le stesse immagini della prima prova.

"Ciò significa che abbiamo fatto lo stesso esperimento del laser a femtosecondi ma con uno che costa centinaia di migliaia di dollari in meno, " Disse Vinogradov.

Questo esperimento è stato la prima dimostrazione dell'uso di nanoparticelle di lantanidi nel neuromiaging, nonché il primo esempio di microscopia in vivo a due fotoni con semplici, laser economici.